第4章 串行通信及接口(1)讲解

CPU
串行通信的基本概念
• 全双工方式和半双工方式
– 全双工方式：用不同的通路同时进行发送和接 收；
– 半双工方式：输入和输出使用同一通路，或者 发送或者接收。
串行通信的基本概念
• 串行通信的同步方式
– 字符同步方式（异步同步方式，起止式同步方 式）：以字符为单位进行传输，在发送每个字 符之前发送一个同步参考信号。 – 位同步方式：发送端对每位数据位都带有同步 信息。可以在发送数据的同时发送同步的时钟 脉冲，也可以通过编码将数据和时钟一起发送。
计算机 或 终端
调制解调器
EIA-232/V.24 的信号定义
RS-232-C
DTE-A
①置DTR；TxD发 送电话号码
②置RI ③置DTR
DTE-B DCE-B
DCE-A
网
络
EIA-232/ V.24 接口
⑦置RTS ⑧置CTS
调制解调器
调制解调器
④产生载波；置DSR
EIA-232/ V.24 接口
8250引脚信号
8250 D0~D7、A0~A2、DISTR/DISTR、 D0~D7 DOSTR/DOSTR、CS0/CS1/CS2： A0~A2 用于CPU对寄存器读写。 SIN/SOUT、DTR/DSR、RTS/CTS： IOW IOR 用于传输数据。 RI、RLSD：振铃指示和载波 A3 A4 检测。 XTAL1、XTA L2：外部时钟输 A9 AEN 入输出。 RCLK/BAUDOUT：接收/发送时 RS 钟信号。 OUT1、OUT2：用户指定输出 OSC 5V 端。 INTRPT：中断请求信号。 IRQ4 MR：复位信号。
数据 7 1 0 7 1 0
时钟
CP1 编码 7 1 0 CP 解码 7 1 0
串行通信的同步方式
• 发送时钟：发送端需要用时钟决定每一位对应 的时间长度，叫发送时钟； • 接收时钟：接受端需要用时钟决定每一位对应 的时间长度，叫接收时钟； • 上述两个时钟的频率可以是位传输率的16、32、 64倍，叫波特率因子； • 波特率：每秒钟所传输的数据位数叫波特率； • 信号的发送与侦测：通用异步通信收发器 (UART): universal asynchronous receiver and transmitter
DATA0、DATA1
PID
ADDR
ENDP
CRC5
USB总线通信模型
• USB属于轮询方式，主机控制端口初始化所有 的数据传输
应用软件 外设
USB系统 软件驱动管理
USB总线接口 串行引擎
USB设备
主控 器件
USB总线接口 串行引擎
USB主机控制器功能
• • • • • • • • • 状态处理 串行化和反串行化 帧产生 数据处理 协议引擎 传输差错控制 远程唤醒 根集线器 主机系统接口
软件功能
• HCD驱动程序 • USB总线驱动程序USBD
设备驱动程序 主机软件 HUB驱动 USBD
HCD
IEEE 1394的特点
• 高速数据传输：100M、200M、400M • 保证是实时性：支持异步、同步两种模式， 可连接高 视频设备，应用领 域可扩展到通信和信息家电 • 高自由度连接/拓扑结构：最多可连接63台 设备，结点间距离4.5m(可延长至50~100m) • 带电插拔/即插即用 • 编码方式：DSLink
RS-232-C
用户环境
DTE DCE 串行比特传输 DCE 信号线与控制线 信号线与控制线 用户环境 DTE
通信设施
用户设施
通信环境
用户设施
DTE 通过 DCE与通信传输线路相连
RS-232-C
DTE (1) 保护地 (2) 发送数据TxD (3) 接收数据RxD (4) 请求发送RTS (5) 允许发送CTS (6) DCE 就绪DSR (7) 信号地 (8) 载波检测CD (20) DTE 就绪DTR (22) 振铃指示RI DCE
USB总线体系结构
• 总线主机控制器(由主机系统提供)、控制器 驱动程序、USB芯片驱动程序、USB设备及 相应的设备驱动程序。
PC主机系统
HUB ….
HUB ….
鼠标
….
MODEM
摄像头
….
打印机
USB的电气连接特性
Vcc Vcc D+ USB发送器 DGND
主机/HUB下行口
*:低速设备是将 电阻接到D-端上
数据编码技术
曼彻斯特/差分~编码
数字数据
数字传输
调制解调 PCM
模拟数据
模拟传输
调制解调（频分复用）
数据编码技术-数字数据的数字编码
1 0
不归零制编码 时钟 曼彻斯特编码 差分曼彻斯特编码
1
1
0
0
1
0
数据编码技术-数字数据的模拟编码 技术
0
数据 调幅 调频 调相
1
0
1
1
串行通信标准
• RS-232-C：EIA1969年发布的串行数据交换 标准。 • RS-449-C：EIA1977年发布的串行数据交换 标准。 • RS-485：适合于点到多点的串行数据交换标 准。 • USB：通用串行总线规范。 • IEEE 1394：Fire Wire－“火线”
Hale Waihona Puke Baidu
GND
1.5kΩ
Vcc D+ D- USB接收器 GND
USB设备/HUB上行口
15kΩ
15kΩ
• USB传输信号状态：
D+>Voh, D-<Vol为差分“1”
GND
D->Voh, D+<Vol为差分“0” *:低速设备的信号状态相反
USB数据编码和解码
• USB使用一种NRZI(不归零反向码)编码方式
串行通信的同步方式
• 字符同步方式（异步同步方式，起止式同 步方式）：以字符为单位进行传输，在发 送每个字符之前发送一个同步参考信号。
起 始 位
5
8 个 字 符
奇 停 间 起 偶 止 隔 始 位 校 位 验 位
~
/
串行通信的同步方式
• 位同步方式：发送端对每位数据位都带有 同步信息。可以在发送数据的同时发送同 步的时钟脉冲，也可以通过编码将数据和 时钟一起发送。
第4章 串行通信及接口
第4章 串行通信及接口
• 串行通信的基本概念 • 可编程串行接口芯片-Ins 8250A • 习题
串行通信的基本概念
• 数字信号的并行传输和串行传输
10100011 7 1 0 CP1 CP2 OUT XXXH，AL IN AL，XXXH CPU D7 STR ACK 7 1 0 D0
RS-449-C的电气特性
– RS-423A：采用非平衡线路，每 一路信号均为单端输出差分输入， 每个方向一个回线，从而使串音 TD 干扰减小。输出电压为 ±3.6V~±6V,输入门限电压为0.2V~+0.2V。10m以内可达 300Kbps。 TD – RS-422A：采用平衡线路，每一 路信号均为差分输出差分输入， 每路信号一个回线，抗干扰能力 很强。输出电压为±2V~±6V,输 入门限电压为-0.2V~+0.2V。10m TD 以内可达10Mbps。 – RS-232-C：单端输出单端输入， 功用一个地线，抗干扰能力较差。 15M以内21Kbps。
RS-232-C
• DTE (Data Terminal Equipment) 是数据终端设 备，是具有一定的数据处理能力和发送、 接收数据能力的设备。 • DCE (Data Circuit-terminating Equipment)是数 据电路端接设备，它在 DTE 和传输线路之 间提供信号变换和编码的功能，并且负责 建立、保持和释放数据链路的连接。
USB总线传输协议
• USB属于轮询方式，主机控制端口初始化所有 的数据传输
标记包
（主机）
PID（8） ADDR（7） ENDP（4） PID PID PID
ACK、NAK、STALL
CRC5（5） CRC5(5) CRC16(16)
帧开始包 数据包 握手包 特殊包
Frame Number（11） DATA（0~1023)
USB的传输方式
控制传输方式：类似于查询方式，用来配置和控制 主机到USB设备的传输方式和类型，适用于设备控制 命令、设备状态查询及确认命令的 等时传输方式：适用于可靠性要求不高但对实时性 敏感的设备(如麦克风、喇叭、电话等)，以固定的传 输速率连续的在主机与USB设备之间传输数据，出现 错误时并不理会 中断传输方式：适用于数据量小但需要及时处理的 设备(如键盘、鼠标、操纵杆等 ） 批（Bulk）传输方式：适用于要求正确无误传输大 批量数据的设备(如打印机、 扫描仪、数字相机等 ）
• 即插即用和热插拔功能（不用重新启动） • 灵活多用（127台不同种类的设备，如调制 解调器、数字相机、扫描仪、彩色打印机 等） • 直接供电(读卡器 、摄像头 、 游戏柄等耗 电少的设备可直接由USB接口供电，最大可 获得500mA的电流 • 传输距离在全速传输时(使用4芯电缆)连接 距离为5m
0 1 1 0 1 0 1 0 0 0 1 0 0 1 1 0
Data
Idle
J NRZI K
*：为保证准确性，发送设备在在发送一个包时，要进行位 插入操作，即在数据流中每6个连续的“1”后插入一个“0” ，从而强迫NRZI码发生变化。 *：接收端则对接收的数据进行解码，即每收到每6个连 续的“1” 就删除后面的“0”，如有7个连续的“1”，则 认为出现位插入错误，并忽略该数据包（EOP前除外） 。
同步方式的信息有效率高。 同步方式需传输时钟信号。
串行通信的同步方式——举例
• 例１、异步传输过程：设每个字符对应1个起 始位、7个信息位、1个奇偶校验位和1个停止 位，如果波特率为1200bps，那么，每秒钟能 传输的最大字符数为1200/10＝120个。 • 例2 、同步传输：用1200bps的波特率工作，用 4个同步字符作为信息帧头部，奇偶校验，那 么，传输100个字符所用的时间为 8(100+4)/1200＝0.6933s，这就是说，每秒钟 能传输的字符数可达到100/0.6933＝144个。 • 在同样的传输率下，同步传输时实际字符传输 率要比异步传输时高。
RS-232-C
机械特性：DB25型，25Pin，DTE端为插针，DCE端为插 孔。 电气特性：逻辑1输出为-5V~-15V，逻辑0输出为+5V~+ 15V，逻辑1接收为-3V~25V，逻辑0接收为+3V~+25V。输 入输出均需要电平转换电路（如MC1488/1489）。 功能特性：主要引脚的作用，TD/RD为发送/接收数据， DTR/DSR为数据终端准备好/数据设备准备好，RTS/CTS 为请求/允许发送，RI/CD为振铃指示/载波检测（用于 MODEM）。 规程特性：DTE置DTR为ON，DCE置DSR为ON（建立连 接），DTE要发送数据时置RTS，DCE置CTS，则DTE可通 过TD/RD发送/接收数据。结束时拆除连接，即DTE将DTR 置OFF，DCE将DSR置OFF（简化）。
串行通信的同步方式
*异步通信：两个字符之间的传输间隔是任意的，所 以，每个字符的前后都要用一些数据位来做分隔位； 接收方和发送方时钟频率不必完全一样，不超过一 定允许范围即可； *同步通信：将许多字符组成一个信息组，这样字符 可以一个接一个传输，但是，在每组信息(通常称为 信息帧)的开始要加上同步字符，在没有信息要传输 时，要添上空字符，因为同步方式不允许有间隙； 一般将同步字符和空字符用同一个代码。 *同步方式和异步方式比较：
⑥检测载波；置CD
⑤检测载波；置CD和DSR；产生载 波
⑨DTE-A发送数据；DTE-B接收数据
P42
两个 DTE 通过 DCE进行通信的例子
RS-232-C
插头 （1）保护地 （2）发送 （3）接收 （4）请求发送 （5）允许发送 （6）DCE 就绪 （7）信号地 （8）载波检测 （20）DTE 就绪 （22）振铃指示 计算机 插座 插座 （1）保护地 （2）发送 （3）接收 （4）请求发送 （5）允许发送 （6）DCE 就绪 （7）信号地 （8）载波检测 （20）DTE 就绪 （22）振铃指示 虚拟调制解调器 计算机 插头
RS-232-C
RD
RS-423A
RD
RS-422A
RD
RS-485的电气特性
• 在RS-422A的基础上对发送器和接收器正加 了控制信号，保证任何时候只允许一个发 送器处于发送状态。 发送控制 接收控制
RS-485
TD
RD TD
RD
…… 接收控制 RD TD
接收控制
发送控制
发送控制
USB的特点