串行通信概述

串行通信概述

韩韬 2220110146

摘要：在通信领域内，有两种数据通信方式——并行通信和串行通信。随着计算机网络化和微机分级分布式应用系统的发展，通信的功能越来越重要。而凭借着其改善的信号完整性和传播速度，串行通信总线正在变得越来越普遍。本文对物理层协议的串行通信技术进行综述介绍，包括串行通信的发展历史、协议的主要内容、存在的技术标准以及串行通信技术的发展前景。

1．串行通信的发展与特点

1.1 串行通信的特点

在远程通信和计算机科学中，串行通信是指在计算机总线或其他数据通道上，每次传输一个位元数据，并连续进行以上单次过程的通信方式。与之对应的是并行通信，它在串行端口上通过一次同时传输若干位元数据的方式进行通信。一位接一位地顺序传送。这样一个字节的数据要分8次由低位到高位按顺序一位位地传送。由此可见，串行通信的特点如下：1、节省传输线，这是显而易见的。尤其是在远程通信时，此特点尤为重要。这也是串行通信的主要优点；2、数据传送效率低。与并行通信比，这也这是显而易见的。这也是串行通信的主要缺点。

串行通信被用于长距离通信以及大多数计算机网络，在这些应用场合里，电缆和同步化使并行通信实际应用面临困难。凭借着其改善的信号完整性和传播速度，串行通信总线正在变得越来越普遍，甚至在短程距离的应用中，其优越性已经开始超越并行总线不需要串行化元件等缺点。

1.2 串行通信的分类

1.2.1 异步通信

所谓异步通信，是指数据传送以字符为单位，字符与字符间的传送是完全异步的，位与位之间的传送基本上是同步的.异步串行通信的特点可以概括为：①以字符为单位传送信息；②相邻两字符间的间隔是任意长；③接收时钟和发送时钟只要相近就可以。异步方式特点简单的说就是：字符间异步，字符内部各位同步。

1.2.2 同步通信

所谓同步通信，是指数据传送是以数据块（一组字符）为单位，字符与字符之间、字符内部的位与位之间都同步.同步串行通信的特点可以概括为：①以数据块为单位传送信息；②在一个数据块（信息帧）内，字符与字符间无间隔；③接收时钟与发送进钟严格同步。

2. 串行通信技术标准

2.1 数据传输率

2.1.1 比特率：比特率是指每秒传输的二进制位数，用bps （bit/s)表示。

2.1.2 波特率，波特率是指每秒传输的符号数，若每个符号所含的信息量

为1比特，则波特率等于比特率。在计算机中，一个符号的含义为高低电平，它们分别代表逻辑“1”和逻辑“0”，所以每个符号所含的信息量刚好为1比特，因此在计算机通信中，常将比特率称为波特率，即：

1波特（B）= 1比特（bit）= 1位/秒（1bps）例如:电传打字机最快传输率为每秒10个字符/秒，每个字符包含11个二进制位,则数据传输率为:11位/字符×10个字符/秒=110位/秒=110波特（Baud）计算机中常用的波特率是：110、300、600、1200、2400、4800、9600、19200、28800、33600，目前最高可达56Kbps.

2.1.3位时间Td

位时间是指传送一个二进制位所需时间，用Td 表示。Td = 1/波特率 = 1/B

2.2 发送时钟和接收时钟

在串行通信中，二进制数据以数字信号的信号形式出现,不论是发送还是接收，都必须有时钟信号对传送的数据进行定位。在TTL标准表示的二进制数中，传输线上高电平表示二进制1，低电平表示二进制0，且每一位持续时间是固定的，由发送时钟和接收时钟的频率决定。

2.2.1 发送时钟

发送数据时，先将要发送的数据送入移位寄存器，然后在发送时钟的控制下，将该并行数据逐位移位输出。通常是在发送时钟的下降沿将移位寄存器中的数据串行输出，每个数据位的时间间隔由发送时钟的周期来划分，参见图8.6所示。

2.2.2 接收时钟

在接收串行数据时，接收时钟的上升沿对接收数据采样，进行数据位检测，并将其移入接收器的移位寄存器中，最后组成并行数据输出，如图8.7所示。

2.2.3 波特率因子

接收时钟和发送时钟与波特率有如下关系：F = n × B 这里F 是发送时钟或接收时钟的频率; B 是数据传输的波特率；n 称为波特率因子。设发送或接收时钟的周期为Tc，频率为F的位传输时间为Td，则：Tc = 1/F , Td = 1/B 得到：Tc = Td /n 在实际串行通信中，波特率因子可以设定。在异步传送时，n = 1，16，64，实际常采用n = 16，即发送或接收时钟的频率要比数据传送的波特率高n倍。在同步通信中波特率因子必等于1。

3．串行通信协议

包括RS-232-C、RS-422、RS485、USB等。 RS-232-C、RS-422与RS-485标准只对接口的电气特性做出规定，不涉及接插件、电缆或协议。USB是近几年发展起来的新型接口标准，主要应用于高速数据传输领域。

3.1 RS-232-C

也称标准串口，是目前最常用的一种串行通讯接口。它是在1970年由美国电子工业协会（EIA）联合贝尔系统、调制解调器厂家及计算机终端生产厂家共同制定的用于串行通讯的标准。它的全名是“数据终端设备（DTE）和数据通讯设备（DCE）之间串行二进制数据交换接口技术标准”。传统的RS-232-C接口标准有22根线，采用标准25芯D型插头座。自IBM PC/AT开始使用简化了的9芯D型插座。至今25芯插头座现代应用中已经很少采用。电脑一般有两个串行

口：COM1和COM2，9针D形接口通常在计算机后面能看到。现在有很多手机数据线或者物流接收器都采用COM口与计算机相连。

3.2 RS-422

为改进RS-232通信距离短、速率低的缺点，RS-422定义了一种平衡通信接口，将传输速率提高到10Mb/s，传输距离延长到4000英尺（速率低于100kb/s 时），并允许在一条平衡总线上连接最多10个接收器。RS- 422是一种单机发送、多机接收的单向、平衡传输规范，被命名为TIA/EIA-422-A标准。

3.3 RS-485

为扩展应用范围，EIA又于1983年在RS-422基础上制定了RS-485 标准，增加了多点、双向通信能力，即允许多个发送器连接到同一条总线上，同时增加了发送器的驱动能力和冲突保护特性，扩展了总线共模范围，后命名为TIA/EIA-485-A标准。

3.4 RJ-45接口

是以太网最为常用的接口，RJ45是一个常用名称，指的是由IEC(60)603-7标准化，使用由国际性的接插件标准定义的8个位置（8针）的模块化插孔或者插头。

3.5 Universal Serial Bus（通用串行总线）

简称USB，是目前电脑上应用较广泛的接口规范，由Intel、Microsoft、Compaq、IBM、NEC、Northern Telcom等几家大厂商发起的新型外设接口标准。USB接口是电脑主板上的一种四针接口，其中中间两个针传输数据，两边两个针给外设供电。USB接口速度快、连接简单、不需要外接电源，传输速度12Mbps，新的USB 2.0可达480Mbps；电缆最大长度5米，USB电缆有4条线：2条信号线，2条电源线，可提供5伏特电源，USB电缆还分屏蔽和非屏蔽两种，屏蔽电缆传输速度可达12Mbps，价格较贵，非屏蔽电缆速度为1.5Mbps，但价格便宜；USB通过串联方式最多可串接127个设备；支持热插拔。最新的规格是USB 3.0。

4. 串行通信的发展前景

EIA-232、EIA-422与EIA-485标准等串行通信技术应用很广，如录像机、计算机以及许多工业控制设备上都配备有EIA－232串行通信接口。

USB接口应用较为广泛。人们在市场上可以看到，每一款计算机主板都带有不少于2个USB接口，USB打印机、USB调制解调器、USB鼠标、USB音箱、USB存储器等产品越来越多，USB接口已经占据了串行通信技术的垄断地位。最新的USB3.0新规范提供了十倍于USB 2.0的传输速度和更高的节能效率，可广泛用于PC外围设备和消费电子产品。旧有的USB 2.0基于半双工二线制总线，只能提供单向数据流传输，而USB 3.0采用了对偶单纯形四线制差分信号线，故而支持双向并发数据流传输，这也是新规范速度猛增的关键原因。除此之外，USB 3.0还引入了新的电源管理机制，支持待机、休眠和暂停等状态。

5．结论

现代生产生活中，为了保证对系统可靠性越来越高的要求，采用了大量自动化设备来进行日常生产、管理和设备维修保养，既可以监控系统运转性能和