接口技術(shù)課件：第四章 串行通信及接口

1、第四章 串行通信及接口2011/10 東北大學 計算機系統(tǒng)研究所第四章 串行通信及接口4.1 串行通信的基本概念4.2 串行通信標準習 題4.4 可編程串行接口芯片-Ins 8250A4.5 USB接口芯片CH3754.1.1 數(shù)字信號的并行傳輸和串行傳輸D0D7STRACK017017CP1CP2CPUOUT XXXH，ALIN AL，XXXHCPU101000114.1 串行通信的基本概念全雙工方式：用不同的通路同時進行發(fā)送和接收； 半雙工方式：輸入和輸出使用同一通路，或者發(fā)送或者接收。4.1 串行通信的基本概念*全雙工方式和半雙工方式字符同步方式（異步同步方式，起止式同步方式）：以字符為

2、單位進行傳輸，在發(fā)送每個字符之前發(fā)送一個同步參考信號。位同步方式：發(fā)送端對每位數(shù)據(jù)位都帶有同步信息?？梢栽诎l(fā)送數(shù)據(jù)的同時發(fā)送同步的時鐘脈沖，也可以通過編碼將數(shù)據(jù)和時鐘一起發(fā)送。4.1 串行通信的基本概念4.1.2 串行通信的同步方式字符同步方式（異步同步方式，起止式同步方式）：以字符為單位進行傳輸，在發(fā)送每個字符之前發(fā)送一個同步參考信號。起始位58個字符奇/偶校驗位停止位4.1 串行通信的基本概念4.1.2 串行通信的同步方式間隔起始位*異步通信：兩個字符之間的傳輸間隔是任意的，所以，每個字符的前后都要用一些數(shù)據(jù)位來做分隔位；接收方和發(fā)送方時鐘頻率不必完全一樣，不超過一定允許范圍即可；*同步通

3、信：將許多字符組成一個信息組，這樣字符可以一個接一個傳輸，但是，在每組信息(通常稱為信息幀)的開始要加上同步字符，在沒有信息要傳輸時，要添上空字符，因為同步方式不允許有間隙；一般將同步字符和空字符用同一個代碼。*同步方式和異步方式比較：同步方式的信息有效率高。同步方式需傳輸時鐘信號。4.1 串行通信的基本概念4.1.2 串行通信的同步方式發(fā)送時鐘：發(fā)送端需要用時鐘決定每一位對應(yīng)的時間長度，叫發(fā)送時鐘；接收時鐘：接受端需要用時鐘決定每一位對應(yīng)的時間長度，叫接收時鐘；上述兩個時鐘的頻率可以是位傳輸率的16、32、64倍，叫波特率因子；波特率：每秒鐘所傳輸?shù)臄?shù)據(jù)位數(shù)叫波特率；通用異步通信收發(fā)器(UA

4、RT): universal asynchronous receiver and transmitter4.1 串行通信的基本概念4.1.2 串行通信的同步方式例、異步傳輸過程：設(shè)每個字符對應(yīng)1個起始位、7個信息位、1個奇偶校驗位和1個停止位，如果波特率為1200bps，那么，每秒鐘能傳輸?shù)淖畲笞址麛?shù)為1200/10120個。例2 、同步傳輸：用1200bps的波特率工作，用4個同步字符作為信息幀頭部，奇偶校驗，那么，傳輸100個字符所用的時間為8(100+4)/12000.6933s，這就是說，每秒鐘能傳輸?shù)淖址麛?shù)可達到100/0.6933144個。在同樣的傳輸率下，同步傳輸時實際字符傳輸率

5、要比異步傳輸時高。4.1.2 串行通信的同步方式-舉例4.1 串行通信的基本概念位同步方式：發(fā)送端對每位數(shù)據(jù)位都帶有同步信息?？梢栽诎l(fā)送數(shù)據(jù)的同時發(fā)送同步的時鐘脈沖，也可以通過編碼將數(shù)據(jù)和時鐘一起發(fā)送。017CP1數(shù)據(jù)017017編碼017時鐘解碼CP4.1 串行通信的基本概念4.1.2 串行通信的同步方式數(shù)字數(shù)據(jù)模擬數(shù)據(jù)數(shù)字傳輸模擬傳輸曼徹斯特/差分編碼調(diào)制解調(diào)PCM調(diào)制解調(diào)（頻分復用）4.1 串行通信的基本概念4.1.3 數(shù)據(jù)編碼技術(shù)1 0 1 1 0 0 1 0不歸零制編碼時鐘曼徹斯特編碼差分曼徹斯特編碼4.1 串行通信的基本概念4.1.3 數(shù)據(jù)編碼技術(shù)-數(shù)字數(shù)據(jù)的數(shù)字編碼數(shù)據(jù)調(diào)幅調(diào)頻調(diào)

6、相 0 1 0 1 14.1 串行通信的基本概念4.1.3 數(shù)據(jù)編碼技術(shù)-數(shù)字數(shù)據(jù)的模擬編碼技術(shù)第四章 串行通信及接口4.1 串行通信標準4.2 串行通信的基本概念習 題4.4 可編程串行接口芯片-Ins 8250A4.5 USB接口芯片CH3754.2.1 RS-232-C接口標準DTE (Data Terminal Equipment) 是數(shù)據(jù)終端設(shè)備，是具有一定的數(shù)據(jù)處理能力和發(fā)送、接收數(shù)據(jù)能力的設(shè)備。DCE (Data Circuit-terminating Equipment)是數(shù)據(jù)電路端接設(shè)備，它在 DTE 和傳輸線路之間提供信號變換和編碼的功能，并且負責建立、保持和釋放數(shù)據(jù)鏈路的

7、連接。 4.2 串行通信標準I4.2 串行通信標準I機械特性：DB25型，25Pin，DTE端為插針，DCE端為插孔。電氣特性：邏輯1輸出為-5V-15V，邏輯0輸出為+5V+ 15V，邏輯1接收為-3V-25V，邏輯0接收為+3V+25V。輸入輸出均需要電平轉(zhuǎn)換電路（如MC1488/1489）。4.2.1 RS-232-C接口標準4.2 串行通信標準I功能特性：主要引腳的作用，TD/RD為發(fā)送/接收數(shù)據(jù)，DTR/DSR為數(shù)據(jù)終端準備好/數(shù)據(jù)設(shè)備準備好，RTS/CTS為請求/允許發(fā)送，RI/CD為振鈴指示/載波檢測（用于MODEM）。規(guī)程特性：DTE置DTR為ON，DCE置DSR為ON（建立連

8、接），DTE要發(fā)送數(shù)據(jù)時置RTS，DCE置CTS，則DTE可通過TD/RD發(fā)送/接收數(shù)據(jù)。結(jié)束時拆除連接，即DTE將DTR置OFF，DCE將DSR置OFF（簡化）。4.2.1 RS-232-C接口標準DTE 通過 DCE與通信傳輸線路相連 DTEDCEDCE串行比特傳輸信號線與控制線用戶環(huán)境通信環(huán)境用戶設(shè)施通信設(shè)施DTE信號線與控制線用戶設(shè)施用戶環(huán)境4.2 串行通信標準I4.2.1 RS-232-C接口標準EIA-232/V.24 的信號定義 (1) 保護地(2) 發(fā)送數(shù)據(jù)TxD(3) 接收數(shù)據(jù)RxD(4) 請求發(fā)送RTS(5) 允許發(fā)送CTS(6) DCE 就緒DSR(7) 信號地(8) 載

9、波檢測CD(20) DTE 就緒DTR(22) 振鈴指示RIDTEDCE計算機或終端調(diào)制解調(diào)器4.2 串行通信標準I4.2.1 RS-232-C接口標準兩個 DTE 通過 DCE進行通信的例子 EIA-232/ V.24 接口調(diào)制解調(diào)器DTE-ADTE-BDCE-ADCE-BEIA-232/ V.24 接口調(diào)制解調(diào)器網(wǎng) 絡(luò)P42置DTR；TxD發(fā)送電話號碼置RI置DTR產(chǎn)生載波；置DSR檢測載波；置CD和DSR；產(chǎn)生載波檢測載波；置CD置RTS置CTSDTE-A發(fā)送數(shù)據(jù)；DTE-B接收數(shù)據(jù)4.2 串行通信標準I4.2.1 RS-232-C接口標準兩臺計算機利用虛擬調(diào)制解調(diào)器相連插頭插頭插座插座

10、計算機虛擬調(diào)制解調(diào)器計算機（1）保護地（2）發(fā)送（3）接收（4）請求發(fā)送（5）允許發(fā)送（6）DCE 就緒（7）信號地（8）載波檢測（20）DTE 就緒（22）振鈴指示（1）保護地（2）發(fā)送（3）接收（4）請求發(fā)送（5）允許發(fā)送（6）DCE 就緒（7）信號地（8）載波檢測（20）DTE 就緒（22）振鈴指示4.2 串行通信標準I4.2.1 RS-232-C接口標準4.2 串行通信標準IIRS-423A：采用非平衡線路，每一路信號均為單端輸出差分輸入，每個方向一個回線，從而使串音干擾減小。輸出電壓為3.6V6V,輸入門限電壓為-0.2V+0.2V。10m以內(nèi)可達300Kbps。RS-422A：采用

11、平衡線路，每一路信號均為差分輸出差分輸入，每路信號一個回線，抗干擾能力很強。輸出電壓為2V6V,輸入門限電壓為-0.2V+0.2V。10m以內(nèi)可達10Mbps。RS-232-C：單端輸出單端輸入，功用一個地線，抗干擾能力較差。15M以內(nèi)21Kbps。電氣特性：4.2.2 RS-449接口標準TDRDTDRDTDRDRS-232-CRS-423ARS-422A在RS-422A的基礎(chǔ)上對發(fā)送器和接收器正加了控制信號，保證任何時候只允許一個發(fā)送器處于發(fā)送狀態(tài)。電氣特性：4.2.3 RS-485接口標準TDRDRS-485RD發(fā)送控制接收控制接收控制RDTD發(fā)送控制TD發(fā)送控制接收控制4.2 串行通信

12、標準III特點：即插即用和熱插拔功能（不用重新啟動）；靈活多用（127臺不同種類的設(shè)備，如調(diào)制解調(diào)器、數(shù)字相機、掃描儀、彩色打印機等）；直接供電(讀卡器 、攝像頭 、 游戲柄等耗電少的設(shè)備可直接由USB接口供電，最大可獲得500mA的電流；傳輸距離在全速傳輸時(使用4芯電纜)連接距離為5m。4.2.4 USB接口標準4.2 串行通信標準IVUSB體系結(jié)構(gòu)：總線主機控制器(由主機系統(tǒng)提供)、控制器驅(qū)動程序、USB芯片驅(qū)動程序、USB設(shè)備及相應(yīng)的設(shè)備驅(qū)動程序。4.2.4 USB接口標準PC主機系統(tǒng)HUBHUB.鼠標MODEM.攝像頭打印機.4.2 串行通信標準IVUSB拓撲結(jié)構(gòu)USB總線通信模型：

13、 4.2.4 USB接口標準USB屬于輪詢方式，主機控制端口初始化所有的數(shù)據(jù)傳輸。應(yīng)用軟件USB系統(tǒng)軟件驅(qū)動管理主控器件外設(shè) 串行引擎USB總線接口USB總線接口串行引擎USB設(shè)備4.2 串行通信標準IV傳輸方式：控制傳輸方式類似于查詢方式，用來配置和控制主機到USB設(shè)備的傳輸方式和類型，適用于設(shè)備控制命令、設(shè)備狀態(tài)查詢及確認命令的傳輸 ；等時傳輸方式適用于可靠性要求不高但對實時性敏感的設(shè)備(如麥克風、喇叭、電話等)，以固定的傳輸速率連續(xù)的在主機與USB設(shè)備之間傳輸數(shù)據(jù)，出現(xiàn)錯誤時并不理會；中斷傳輸方式適用于數(shù)據(jù)量小但需要及時處理的設(shè)備(如鍵盤、鼠標、操縱桿等 ）；批（Bulk）傳輸方式適用于

14、要求正確無誤傳輸大批量數(shù)據(jù)的設(shè)備(如打印機、 掃描儀、數(shù)字相機等 ）。4.2.4 USB接口標準4.2 串行通信標準IVUSB電器連接特性：4.2.4 USB接口標準USB發(fā)送器USB接收器VccD+D-GND15kGNDVcc15k1.5k主機/HUB下行口USB設(shè)備/HUB上行口GNDVccD+D-GND*:低速設(shè)備是將電阻接到D-端上 USB傳輸信號狀態(tài)： D+Voh, D-Voh, D+Vol為差分“0”*:低速設(shè)備的信號狀態(tài)相反4.2 串行通信標準IVUSB數(shù)據(jù)編碼和解碼：4.2.4 USB接口標準USB使用一種NRZI(不歸零反向碼)編碼方式 0 1 1 0 1 0 1 0 0 0

15、 1 0 0 1 1 0Idle Data NRZI J K *：為保證準確性，發(fā)送設(shè)備在在發(fā)送一個包時，要進行位插入操作，即在數(shù)據(jù)流中每6個連續(xù)的“1”后插入一個“0”，從而強迫NRZI碼發(fā)生變化。*：接收端則對接收的數(shù)據(jù)進行解碼，即每收到每6個連續(xù)的“1” 就刪除后面的“0”，如有7個連續(xù)的“1”，則認為出現(xiàn)位插入錯誤，并忽略該數(shù)據(jù)包（EOP前除外）。4.2 串行通信標準IVUSB總線傳輸協(xié)議：4.2.4 USB接口標準USB屬于輪詢方式，主機控制端口初始化所有的數(shù)據(jù)傳輸。PID（8）ADDR（7）ENDP（4） CRC5（5）PIDCRC5(5)PIDCRC16(16)PIDPIDADD

16、RENDPCRC5Frame Number（11）標記包幀開始包數(shù)據(jù)包握手包特殊包DATA（01023)（主機）DATA0、DATA1ACK、NAK、STALL4.2 串行通信標準IVUSB主機控制器功能： 4.2.4 USB接口標準狀態(tài)處理串行化和反串行化幀產(chǎn)生數(shù)據(jù)處理協(xié)議引擎?zhèn)鬏敳铄e控制遠程喚醒根集線器主機系統(tǒng)接口 軟件功能： HCD驅(qū)動程序USB總線驅(qū)動程序USBD設(shè)備驅(qū)動程序主機軟件HUB驅(qū)動USBDHCD4.2 串行通信標準IV特點： 高速數(shù)據(jù)傳輸：100M、200M、400M高自由度連接/拓撲結(jié)構(gòu)：最多可連接63臺設(shè)備，結(jié)點間距離4.5m(可延長至50100m)編碼方式：DSLin

17、k*IEEE 1394：Fire Wire“火線”保證是實時性：支持異步、同步兩種模式，可連接高視頻設(shè)備，應(yīng)用領(lǐng)域可擴展到通信和信息家電 帶電插拔/即插即用4.2 串行通信標準V第四章 串行通信及接口4.4 可編程串行接口芯片-Ins 8250A4.2 串行通信標準習 題4.1 串行通信的基本概念4.5 USB接口芯片CH375D0D7、A0A2、DISTR/DISTR、DOSTR/DOSTR、CS0/CS1/CS2：用于CPU對寄存器讀寫。SIN/SOUT、DTR/DSR、RTS/CTS：用于傳輸數(shù)據(jù)。 RI、RLSD：振鈴指示和載波檢測。 XTAL1、XTA L2：外部時鐘輸入輸出。RCL

18、K/BAUDOUT：接收/發(fā)送時鐘信號。OUT1、OUT2：用戶指定輸出端。INTRPT：中斷請求信號。MR：復位信號。4.4.1 8250的引腳信號 D0D7D0D7A0A2A0A2DOSTRDISTRIOWIORA3A4A9AENMRCS2RSOSCXTAL1OUT2INTR5VIRQ4SOUTSINDTRDSRRTSCTSRIRLSDRCLKBAUDOUT82504.4 可編程串行接口芯片-Ins8250DLAB A2 A1 A0 說 明 0 0 0 0 接收數(shù)據(jù)寄存器（讀） 0 0 0 0 發(fā)送保持寄存器（寫） 0 0 0 1 中斷允許寄存器 X 0 1 0 中斷識別寄存器（只讀） X

19、 0 1 1 通信線控制寄存器 x 1 0 0 MODEM控制寄存器 x 1 0 1 通信線狀態(tài)寄存器 x 1 1 0 MODEM狀態(tài)寄存器 x 1 1 1 未用 1 0 0 0 除數(shù)鎖存器（低位） 1 0 0 1 除數(shù)鎖存器（高位）接收緩沖寄存器RBR發(fā)送保持寄存器THR線路控制寄存器LCR線路狀態(tài)寄存器LSR除數(shù)鎖存寄存器DLRH/L中斷允許寄存器IER中斷識別寄存器IIRMODEM控制寄存器MCRMODEM狀態(tài)寄存器MSR4.2.2 8250的內(nèi)部結(jié)構(gòu)RBR接收移位LCRDLRH/LTHRMCRMSRIERIIR發(fā)送移位LSR波特率發(fā)生器接收同步控制發(fā)送同步控制MODEM控制邏輯控制邏輯

20、中斷4.4 可編程串行接口芯片-Ins8250線路控制寄存器LCR4.4.3 8250的內(nèi)部寄存器4.4 可編程串行接口芯片-Ins8250DLAB位：0-允許訪問接收緩沖器、發(fā)送保持器、中斷允許寄存器 1-允許訪問除數(shù)鎖存寄存器D0D1D2D3D4D5D6D7數(shù)據(jù)位數(shù)校驗方式間斷碼設(shè)置：0-不設(shè)置；1-設(shè)置XX0-無校驗；001-奇校驗；011-偶校驗；101-邏輯0；111-邏輯100-5位；01-6位；10-7位；11-8位線路狀態(tài)寄存器LSR4.4.3 8250的內(nèi)部寄存器4.4 可編程串行接口芯片-Ins82501-發(fā)送移位寄存器空1-發(fā)送保持寄存器空D0D1D2D3D4D5D6D7

21、1-間斷指示1-字符格式錯1-奇偶錯1-數(shù)據(jù)重疊錯1-接收數(shù)據(jù)就緒中斷允許寄存器IER4.4.3 8250的內(nèi)部寄存器4.4 可編程串行接口芯片-Ins8250D0D1D2D3D4D5D6D71-允許“MODEM改變狀態(tài)”中斷1-允許“接收線路出錯”中斷1-允許“發(fā)送保持寄存器空”中斷1-允許“接收數(shù)據(jù)就緒”中斷中斷識別寄存器IIR4.4.3 8250的內(nèi)部寄存器4.4 可編程串行接口芯片-Ins8250D0D1D2D3D4D5D6D7中斷識別位有無中斷待處理0-有；1-無00-”MODEM改變狀態(tài)”中斷01-”發(fā)送保持寄存器空”中斷10-”接收數(shù)據(jù)就緒”中斷11-”接收線路出錯”中斷MODE

22、M控制寄存器MCR4.4.3 8250的內(nèi)部寄存器4.4 可編程串行接口芯片-Ins8250D0D1D2D3D4D5D6D7OUT2OUT1RTSDTR自環(huán)MODEM狀態(tài)寄存器MSR4.4.3 8250的內(nèi)部寄存器4.4 可編程串行接口芯片-Ins8250振鈴指示（RI）數(shù)據(jù)設(shè)備準備好（DSR）D0D1D2D3D4D5D6D7允許發(fā)送（CTS）數(shù)據(jù)載波檢測（DDCD）振鈴指示（TERI）數(shù)據(jù)設(shè)備準備好（DDSR）允許發(fā)送（DCTS）數(shù)據(jù)載波檢測（DCD）3種連線方式TD RD DTR DSR RTS SGCTSTD RD DTR DSR RTS SGCTSTD RD DTR DSR RTS S

23、GCTSTD RD DTR DSR RTS SGCTSTD RD DTR DSR RTS SGCTSTD RD DTR DSR RTS SGCTS簡化連接 3線連接 4.4 可編程串行接口芯片-Ins82504.4.4 8250在IBM PC機中的應(yīng)用完全連接 PC/XT中采用兩片Ins8250；PC/AT中采用兩片Ns16450；目前的PC機中是將其與其它的模塊集成在IDE卡或在主板上）。 D0D7D0D7A0A2A0A2DOSTRDISTRIOWIORA3A4A9AENMRCS2RSOSCXTAL1OUT2INTR5VIRQ4SOUTSINDTRDSRRTSCTSRIRLSDRCLKBAU

24、DOUT8250MC1488MC1488GND3F8H-3FFH4.4 可編程串行接口芯片-Ins82504.4.4 8250在PC機中的應(yīng)用-硬件設(shè)計4.4.4 8250在PC機中的應(yīng)用-軟件設(shè)計 發(fā)送程序SENDC：接收程序RECEC：初始化程序I8250:LCR7=1 DLRH/L=除數(shù)因子 LCR=ALIER=0 返回DTR、RTS=1 THR=AL CTS，DSR=1？THR=1？返回DTR、RTS=1 CTS，DSR=1？LSR0=1？AL=RBR返回YYNNNNYY4.4 可編程串行接口芯片-Ins8250第四章 串行通信及接口4.5 USB接口芯片CH3754.2 串行通信標準

25、習 題4.1 串行通信的基本概念4.4 可編程串行接口芯片-Ins 8250A4.5 USB接口芯片CH3754.5.1 CH375內(nèi)部結(jié)構(gòu)4.5 USB接口芯片CH3754.5.2 CH375引腳4.5.3 CH375固化命令代碼4.5 USB接口芯片CH375常見命令：DISK-INIT：初始化USB USB存儲設(shè)備設(shè)備。DISK-READ ： 從USB存儲設(shè)備度數(shù)據(jù)塊。GET-STATUS： 獲取中斷狀態(tài)并取消請求。RD-USB-DATA：從當前USB中斷的斷點緩沖區(qū)讀取數(shù)據(jù)塊。SET-USB-MODE：設(shè)置USB工作模式。4.5 USB接口芯片CH3754.5.4 CH375接口電路設(shè)計4.5 USB接口芯片CH3754.5.5 CH375應(yīng)用程序的設(shè)計第四章 串行通信及接口4.4 可編程串行接口芯片-Ins 8250A4.2 串行通信標準4.1 串行通信的基本概念4.5 USB接口芯片CH375習 題2008/06 計算機系統(tǒng)研究所第四章 串行通信及接口習 題4.1 串行通信的基本概念4.2 可編程串行接口芯片-Ins 8250A解釋下列名詞：MODEM PSK FSK ASK Baud RS-232-c DTE DCE USB。什么是異步傳輸？什么是同步傳輸？各有什么