畢業(yè)設計（論文）-串行口與并行口的實時通訊.doc

串行口與并行口的實時通訊摘要隨著科學技術的發(fā)展，通信技術顯得越來越重要，目前計算機與計算機或計算機與終端之間的數據傳送可以采用串行通信和并行通信兩種通信方式。本文從理論角度對兩種通信方式的原理、主要通信標準進行了分析，同時借助于Visual Basic所附的通信控件MSCOMM在Windows平臺下對其進行了具體實現。關鍵詞：串行，并行，MSComm 通信控件，Visual Basic 6. 0Serial and parallel port of real-time communicationsAbstractWith the development of science and technology, Communication technologies become increasingly important, computers and computer terminals or computer and data transmission between the serial communications and can use two parallel communication means of communication. From the perspective of the two means of communication theory, the main communication standards were analyzed, and the help of Visual Basic MSCOMM attached to the communication control in the Windows platform under a concrete realization.Keywords: Serial, parallel, MSCOMM, Visual Basic 6. 0- 41 -第1章 引言1.1 數據通信的定義和特點數據通信是在兩點或多點之間傳送數字信息（通常以二進制形式）的過程。信息被定義為知識或情報。被處理、組織和存儲的信息稱為數據。數據實質上可以是字母、數字或符號并由下列任何一個或一個組合組成：二進制編碼的字母/數字符號、微機處理的操作代碼、控制代碼、用戶地址、程序數據或數據庫信息等。在信源和信宿中，數據是以數字形式存在的；但在傳輸期間，數據可以是數字形式也可以是模擬形式。這些字母、數字和符號在傳輸時，可以用離散的數字信號逐一準確地表達出來，例如可以用不同極性的電壓、電流或脈沖來代表。將這樣的數字信號加到數據傳輸信道上進行傳輸，到達接收地點后再正確地恢復出原始發(fā)送的數據信息1。我們知道計算機的輸入輸出都是數字信號，而數據通信就是以傳輸數據為業(yè)務的一種通信方式，所以說數據通信是計算機技術和通信技術相結合的產物。一般情況下，數據通信是指計算機與計算機，計算機與終端以及終端與終端之間的通信，它是按照某種協議連接信息處理裝置和數據傳輸裝置，并進行數據的傳輸及處理。計算機技術與通信技術相結合，克服了時間和空間上的限制，使人們可以利用終端在遠距離共同使用計算機，提高了計算機的利用率，使計算機的應用范圍擴大到社會生活的各個領域，從而使信息化社會進一步向前推進。數據通信和電報、電話通信相比，具有如下特點： （1）數據通信是人機或機機通信，計算機直接參與通信是數據通信的重要特征； （2）數據傳輸的準確性和可靠性要求高； （3）傳輸速率高，要求網絡時延小和傳輸響應時間快； （4）通信持續(xù)時間差異大。1.2 數據通信系統(tǒng)的構成一般來說，一個數據通信系統(tǒng)是由終端、數據電路和計算機系統(tǒng)三種類型的設備組成。遠端的數據終端設備（DTE）通過數據電路與計算機系統(tǒng)相連。數據電路由傳輸信道和數據電路通信設備（DCE）組成。如果傳輸信道是模擬信道，DCE的作用就是把DTE送來的數字信號變換為模擬信號再送往信道，或者反過來，把信道送來的模擬信號變換成數字信號再送到DTE。如果信道是數字的，DCE的作用就是實現信號碼型與電平的轉換、信道特性的均衡、收發(fā)時鐘的形成與供給以及線路控制等。數據通信和傳統(tǒng)的電話通信的重要區(qū)別之一是，電話通信必須有人直接參與，摘機撥號，接通線路，雙方都確認后才開始通話。在通話過程中有聽不清楚的地方還可要求對方再講一遍，等等。在數據通信中也必須解決類似的問題，才能進行有效的通信。但由于數據通信沒有人直接參加，就必須對傳輸過程按一定的規(guī)程進行控制，以便使雙方能協調可靠地工作，包括通信線路的連接，收發(fā)雙方的同步，工作方式的選擇，傳輸差錯的檢測與校正，數據流的控制，數據交換過程中可能出現的異常情況的檢測和恢復，這些都是按雙方事先約定的傳輸控制規(guī)程來完成的，具體由傳輸控制器和通信控制器來完成。在數據通信系統(tǒng)中，數據電路加上傳輸控制規(guī)程就是數據鏈路。實際上，通信雙方要真正有效地進行數據傳輸，必須在建立數據鏈路之后。正是由于數據鏈路要遵循嚴格的傳輸控制規(guī)程，使得它所提供的數據傳輸質量要比單獨數據電路所提供的數據傳輸質量好得多。1.3 數據傳輸方式1（1）并行傳輸與串行傳輸并行傳輸指的是數據以成組的方式，在多條并行信道上同時進行傳輸。常用的就是將構成一個字符代碼的幾位二進制碼，分別在幾個并行信道上進行傳輸。例如，采用8單位代碼的字符，可以用8個信道并行傳輸。一次傳送一個字符，因此收、發(fā)雙方不存在字符的同步問題，不需要另加“起”、“止”信號或其它同步信號來實現收、發(fā)雙方的字符同步，這是并行傳輸的一個主要優(yōu)點。但是，并行傳輸必須有并行信道，這往往帶來了設備上或實施條件上的限制，因此，實際應用受限。串行傳輸指的是數據流以串行方式，在一條信道上傳輸。一個字符的8位二進制代碼，由高位到低位順序排列，再接下一個字符的8位二進制碼，這樣串接起來形成串行數據流傳輸。串行傳輸只需要一條傳輸信道，易于實現，是目前主要采用的一種傳輸方式。但是串行傳輸存在一個收、發(fā)雙方如何保持碼組或字符同步的問題，這個問題不解決，接收方就不能從接收到的數據流中正確地區(qū)分出一個個字符來，因而傳輸將失去意義。如何解決碼組或字符的同步問題，目前有兩種不同的解決辦法，即異步傳輸方式和同步傳輸方式。 （2）異步傳輸與同步傳輸異步傳輸一般以字符為單位，不論所采用的字符代碼長度為多少位，在發(fā)送每一字符代碼時，前面均加上一個“起”信號，其長度規(guī)定為1個碼元，極性為“0”，即空號的極性；字符代碼后面均加上一個“止”信號，其長度為1或2個碼元，極性皆為“1”，即與信號極性相同，加上起、止信號的作用就是為了能區(qū)分串行傳輸的“字符”，也就是實現串行傳輸收、發(fā)雙方碼組或字符的同步。這種傳輸方式的特點是同步實現簡單，收發(fā)雙方的時鐘信號不需要嚴格同步。缺點是對每一字符都需加入“起、止”碼元，使傳輸效率降低，故適用于1200bit/s以下的低速數據傳輸。同步傳輸是以同步的時鐘節(jié)拍來發(fā)送數據信號的，因此在一個串行的數據流中，各信號碼元之間的相對位置都是固定的（即同步的）。接收端為了從收到的數據流中正確地區(qū)分出一個個信號碼元，首先必須建立準確的時鐘信號。數據的發(fā)送一般以組（或稱幀）為單位，同步通信時一個數據幀中通常包含同步碼、數據碼和校驗碼。在同步方式下，所有的碼元都是等寬的。這種信號形式的差異使同步方式可以采用高效率的調制，只要有良好的電氣接口，速率可以達到很高。 第2章 串行口與并行口介紹2.1 并行口技術介紹2.1.1 并行口技術簡介并行接口最初是作為簡單的打印機接口使用的，現在已經發(fā)展成為用戶只要通過簡單的插入操作，就能將所有需要使用的外設連接到電腦上的一種設備。并行接口的發(fā)展源于其廣泛的用途，我們可以用它實現數據輸入、數據輸出或雙向數據通信，并口的這種通用性使它成為每一臺PC機的標準配置。并行口自誕生之日起，一直是計算機與外設之間數據通信的主要傳輸途徑，到目前為止還是個人計算機的標準配置。并行口的工作模式也在實際應用過程中發(fā)生了較大的變化，經歷了SPP（Standard Parallel Port）模式、PS2模式、EPP（Enhanced Parallel Port）模式、ECP（Extended Capabilities Port）模式及混合模式等。其中EPP模式首次使并行口能夠與外設進行雙向高速的數據傳輸，大大提高了并行口的實用性。而ECP模式為并行口的快速數據傳輸提供了另一種途徑，與EPP模式一樣，ECP傳輸可以在ISA（Industry Standard Architecture）總線周期完成，對于更高速的傳輸來說，ECP還可以使用數據壓縮方法，將信息壓縮到更少的字節(jié)中，并且允許使用DMA（Direct Memory Access）方式。2.1.2 PC機實現并行通信的幾種方法4并行通信是計算機通信技術的一個重要分支，它具有通信速率高、軟硬件實現比較容易等特點。計算機系統(tǒng)之間實現并行通信的方法有多種，我們歸納出以下五種方案：（1）采用打印機接口實現并行通信；（2）采用HP-IB總線接口及其專用接口電路構成通信電路；（3）采用雙端口RAM構成并行通信通道；（4）采用8255可編程接口構成通信電路；（5）采用簡單芯片，如74LS373構成通信電路。這五種并行通信實現方案各有其優(yōu)點和不足之處。采用可編程接口芯片和利用簡單芯片構成通信電路，具有編程簡單、容易實現等特點；利用計算機系統(tǒng)所帶的打印機接口來實現并行通信方便且又實用，編程也容易，但這三種實現方案功能上比較簡單。HP-IB總線結構是一種國際通信標準，功能強大，但其軟件硬件成本較高。雙端口RAM是近年來發(fā)展起來的新型器件，利用雙端口RAM來實現并行通信，通信效率高，效果好，但其價格也高。1利用PC機打印接口實現PC機并行通信一個標準的PC機打印接口，應符合美國通用的CENTRONIC標準。它由25芯的D形連接器提供TTL輸入、輸出信號，這種接口為我們提供了PC機并行通信的可能。但是PC機的并行打印機接口并非通用的并行傳輸接口，而是專用的單向輸出接口，其并行口數據僅作輸出使用，不支持輸入操作。利用打印機接口進行雙向并行通信也是可行的，其基本方法就是利用打印機輸入線進行傳輸。分析CENTRONIC并行打印口的引腳定義可知，對于指定的并行打印機接口，總共有12根輸出線和5根輸入線，其中輸入線為狀態(tài)輸入線，自然能進行數據輸入操作，從而實現數據的輸入、輸出操作，即雙向并行數據傳輸。硬件連接方案如圖2.1所示。在下圖中，ERR、SLCT、PE、ACK和BUSY五個端口為狀態(tài)輸入端口，其中ERR表示打印機出錯、SLCT高電平表示打印機處于待命狀態(tài)、PE表示打印機沒紙、ACK低電平表示最后一個字符接收完畢、BUSY高電平表示打印機處于忙碌狀態(tài)。五個狀態(tài)端口作為輸入端口與DATA0DATA4數據端口相連。. DATA0DATA1DATA2DATA3DATA4ERRSLCTPEACKBUSYERRSLECTPEACKBUSYDATA0DATA1DATA2DATA3DATA4主機打印口輸出端口輸入端口輸入端口輸出端口從機打印口圖2.1 利用打印機實現PC機之間并行通信的硬件連接2采用HP-IB總線結構及其專用接口構成并行通信電路HP-IB總線是國際上公認的一種并行接口標準。它具有位并行、字節(jié)串行的總線結構特性，多臺設備無需中介單位可以直接掛在一起通信。HP-IB總線最早由美國HP公司提出，后來被美國電氣與電子工程學會（IEEE）和國際電工委員會（IEC）采納，確定為IEEE-488標準和IEC-625標準，并作為并行接口的國際標準。它有多個名稱，如HP-IB、GP-IB、IEEE-488及IEC-IB等，在美國稱為HP-IB或IEEE-488接口，在歐洲稱為GP-IB或IEC- IB接口。IEEE-488標準和IEC-IB標準在結構上略有差別，前者是24芯連接器，后者是25芯連接器。HP-IB接口卡是構成HP-IB并行通信系統(tǒng)的基本部件。該接口卡插在PC機內工作，能支持微機作為控制者、發(fā)送者或接收者。接口卡以mPD7210芯片為核心，通過總線收發(fā)器連至HP-IB總線；與CPU之間需加數據緩沖器、地址譯碼器和DMA通道選擇器。接口的硬件構成如圖2.2所示。在下圖中，HP-IB接口卡主要由地址譯碼、數據緩沖、中斷選擇、DMA通道選擇和總線收發(fā)器構成。微機的最低三位地址A2 A0直接與mPD7210相連，它與IOR#和IOW#結合用于選通mPD7210內部的16個讀寫寄存器。高7位地址A9A3采用可選式譯碼電路進行譯碼，譯碼輸出信號作為mPD7210的片選CS#和數據緩沖器的輸入。數據緩沖采用74LS245三態(tài)總線緩沖器，使能受CS#控制，傳送方向由IOR#和IOW#控制?？紤]到接口卡的通用性，mPD7210的中斷請求信號INT和DMA通道選擇信號DREQ通過開關選通接入擴展槽內某一空余的中斷號IRO和DMA通道?？偩€收發(fā)器采用75160和75162或采用MC3447。3采用雙端口RAM構成雙向并行通信通道IDT7024是由美國IDT公司推出的一種典型的雙端口RAM，下面以它為例介紹雙端口RAM工作原理及由它構成的并行通信接口。IDT7024是4K16位雙口RAM。它是真正的雙口RAM，允許兩個端口同時讀寫數據，每個端口具有自己獨立的控制信號線、地址線和數據線。它允許數據高速存取，最快存取時間為25ns，可與大多數高速處理器配合使用，無需插入等待狀態(tài)。它具有Master/Slaver#控制端，在存儲容量和數據位寬上能方便地擴展，其數據保存電壓為2V，便于用電池完成數據的掉電保護。IDT7024除了具有雙端口存儲功能外，還具有中斷功能和標識器功能，在數據傳送時可構成多種接口形式。D7-D0DAV#NRFD#NDAC#ATN#IFC#REN#SRQ#EOI#T/R1T/R2T/R3總線收發(fā)器mPD7210數據緩沖地址譯碼DMA通道選擇中斷選擇 CS#RD#WR#D7-D0A9-A0AENIOR#IOW#CLKRESETPC機總線擴槽圖2.2 HP-IB接口卡的硬件構成及連接IDT7024的核心部分是存儲器陣列，用于數據存儲，為左右兩個端口共用。這樣，位于兩個端口的左右處理單元就可共享一個存儲器。當兩個端口對雙口RAM存取時，存在以下四種讀寫情況：（1）兩個端口不同時對同一地址單元存取數據；（2）兩個端口同時對同一地址單元讀出數據；（3）兩個端口同時對同一地址單元寫入數據；（4）兩個端口同時對同一地址單元，一個寫入數據，一個讀出數據。第一、二種情況，兩個端口的存取不會出現錯誤，第三種情況會出現寫入錯誤，第四種情況會出現寫入和讀出錯誤。為避免第三、四種情況的出現，IDT7024芯片設計有硬件“BUSY”功能輸出，其工作原理如下：當左右端口不對同一地址單元存取時，BUSYR#和BUSYL#端輸入高電平H，即當BUSYR#=H和BUSYL#=H時，可以正常存儲。當左右端口對同一地址單元存取時，有一端口的BUSY#=L，禁止數據的存取。此時，兩個端口中，哪個存取請求信號出現在前，則其對應的BUSY#=H，允許存取；哪個存取請求信號出現在后，則其對應的BUSY#=L，禁止其寫入數據。需要注意：兩端口間的存取請求信號出現時間要相差5ns以上，否則仲裁邏輯無法判定哪一個端口的存取請求信號在前。在無法判斷哪一個端口的存取請求信號時，控制線BUSYR#和BUSYL#只有一個為低電平，不會同時為低電平，這樣就能保證一個對應于BUSY#=H的端口能進行正常存取，對應BUSY#=L的端口不存取，避免雙端口存取出現錯誤。圖2.3是由雙端口RAM IDT7024構成的PC機與單片機之間的通信接口電路框圖。該系統(tǒng)結構簡單、可靠性高，但是價格也高。地址譯碼器數據緩沖器地址譯碼器數據緩沖器單片機系統(tǒng)RD#WR#REDAYIOR#IOW#READYPC機總線CEL#CER#雙口RAMIDT7024OEL#R/W#LBUSY#LOER#R/W#RBUSY#R圖2.3由雙端口RAM IDT7024構成的PC機與單片機之間的通信接口4采用8255可編程接口構成通信電路8255A有4個端口是通過芯片上的端口選擇信號A1、A0的不同電平來區(qū)分的。當A1A0 為00 時，選中A口；為01時，選中B口；為10時，選中C口；為11時，選中控制口。8255A有3種工作方式：基本輸入輸出，選通輸入輸出，選通雙向輸入輸出。通過對8255A 內部控制寄存器裝入不同的方式控制字，來決定其3種不同的工作方式。選用其選通輸入輸出方式，設置A口工作于輸出方式，B口工作于輸入方式，C口的四位口線作為控制聯絡信號。并行接口的連接方案：PC機打印口的8位輸出方向的數據線，與8255A的輸入口（B口）相連，4位輸入方向的狀態(tài)信息線，與8255A的輸出口（A口）連接。因8255A 的輸出口為8位口線，所以主機的輸入口與8255A的輸出口之間加入數據選擇器74LS157，數選器的控制端與打印口一根輸出方向的控制線相連，主機通過給該控制端輸出不同信號，控制選擇器的高4位或低4位分別輸入主機。2.2 串行接口技術介紹2串行傳輸指的是數據流以串行方式，在一條信道上傳輸。一個字符的8位二進制代碼，由高位到低位順序排列，再接下一個字符的8位二進制碼，這樣串接起來形成串行數據流傳輸。串行傳輸只需要一條傳輸信道，易于實現，是目前主要采用的一種傳輸方式。串行通信有字符形式和二進制形式兩種傳輸形式。字符形式：通常以小于ASCII128的字符碼傳遞，通常用于傳送指令；二進制形式：將數據以二進制編碼的方式傳送，它可能含有ASCII128以上的字符碼，通常用來傳送數據，以節(jié)省時間。2.2.1 串行口技術簡介近年來，隨著計算機技術和外圍設備技術的飛速發(fā)展，計算機與外圍設備之間的通信就顯得越來越重要。串行傳輸是數據通過一根傳輸線逐位傳送，數據傳送按位順序進行，只需要一根傳輸線即可完成，節(jié)省傳輸線。由于串行通信方式使用線路少、成本低，特別是在遠程傳輸時，避免了多條線路特性的不一致而被廣泛采用。同時由于其具有硬件設計簡單、控制方便、成本低廉、傳輸距離遠等優(yōu)點被廣泛應用在智能化的前端儀器儀表、測量和測試網絡以及自動控制領域中，實現系統(tǒng)之間、系統(tǒng)與外設之間的數據傳輸和控制。雖然串口通信技術已經很成熟，但隨著傳輸數據量的增大和一些工程的客觀要求，如：實時性要求。所以能否設計一種可靠、有效的串口通訊解決方案已成為一項工程中迫切需要解決的任務。在串口通信技術中以RS - 485和RS - 232串口技術的應用最為廣泛。計算機串行通信在數據傳輸過程中，所傳輸的數據是一位一位進行傳輸的，傳輸過程中的每一位數據都占據一個固定的時間長度。串行通信的數據傳輸方式又可以分為同步方式和異步方式。同步方式比較復雜，但傳輸速率較異步方式高。異步方式技術簡單，應用場合較多?，F在的PC機一般都提供兩個符合RS-232標準的串行口COM1和COM2。2.2.2 串行口技術的發(fā)展在過去的20年中，并行端口技術得到了廣泛應用。隨著對數據高速傳輸應用需求的不斷增加，兩種主要的并行端口技術ATA和SCSI逐漸現出不足來。由于ATA和SCSI技術采用并行總線接口，傳輸數據和信號的總線是復用的，因此傳輸速率會受到一定的限制。如果要提高傳輸的速率，那么傳輸的數據和信號往往會產生干擾，從而導致錯誤。串行端口技術SATA和SAS是一種全新的總線架構。串行端口在數據傳輸的過程中，數據線和信號線獨立使用，并且傳輸的時鐘頻率保持獨立，因此同以往的并行端口技術相比，SATA和SAS串行端口的傳輸速率得到了很大的提高。串行端口通訊技術的應用無處不在，如電腦的串口與Modem的通訊。另外，手機、PDA、USB鼠標、鍵盤等都是以串行通訊的方式與電腦連接，應用更為廣泛的領域像多串口卡，各種具有串口通訊接口的檢測、測量儀器，串口通訊的網絡設備等。2.2.3 串行接口器件數據的傳輸有串行傳送和并行傳送2種方式。早期生產的器件大部分是并行傳送方式，隨著集成電路制造工藝的提高，器件的運行速度也隨之大大提高。因此，近年來許多公司開發(fā)了各種帶串行接口的電路，與并行接口的集成電路相比，具有引線少，芯片體積小，接口線少等優(yōu)點?；谝陨蟽?yōu)點，使得串行接口電路在PCB板布線時方便，占用面積小，容易用低成本的單面板實現。在需要進行光電隔離的場合，很容易用光電藕合器實現隔離。因此，串行接口器件越來越受到人們的重視。目前，市面上常見的帶串行接口的器件分兩大類：一是串行外圍接口SPI（serial periphery interface），二是I2C總線接口（Inter IC BUS）。下面我們分別說明這兩種串行接口方式。1SPI 是一種同步串行接口，這種通訊接口采用單獨3根信號線（CIK，DI，DO）傳送數據及同步時鐘，可以實現全雙工通信；由CS片選線實現多機通信或擴展多片SPI電路。在啟動1次傳送時由主機產生9個脈沖傳送給從機(或接口芯片)作為同步時鐘，數據由DO移出，DI移入，典型的時序如圖2.4所示。圖中是一個上升沿有效的同步串行方式，上升沿正對應數據碼元的正中間，其中引起數據線和采樣數據線變化的CLK與電路有關。MOTOROLA、NS 、ATMEL、MAXIM等國際半導體公司生產了大量帶SPI接口的電路，既有微處理器類又有A/D類、D/A類、顯示驅動類器件、串行I/0接口等。CSCLKMSBD6D5D4D3D2D1LSBDI/DO圖2.4 同 步 串 行 接 口 時 序 圖2I2C總線串行擴展總線在單片機系統(tǒng)中的應用是目前單片機技術發(fā)展的一種趨勢。在目前比較流行的幾種串行擴展總線中，I2C總線以其嚴格的規(guī)范和眾多帶I2C接口的外圍器件而獲得廣泛的應用。日前應用最廣泛的是24系列EEPROM。I2C總線是PHILIPS公司推出的電路間串行傳輸總線。它以1根串行數據線（SDA）和1根串行時鐘（SCL）實現全雙工的同步數據傳輸。隨著I2C總線研究的深人，它已經廣泛應用于視頻、音頻、IC卡行業(yè)和一些家電產品中，在智能儀器、儀表和工業(yè)測控領域也越來越多地得到應用。I2C總線的廣泛應用是同它卓越的性能和簡便的操作方法分不開的。I2C總線的主要特點表現在以下幾個方面6：（1）硬件結構具有相同的硬件接口界面。I2C總線系統(tǒng)中，任何一個I2C總線接口的外圍器件，不論其功能差別有多大，都是通過數據線和時鐘線連接到I2C總線上。這一特點給用戶在設計應用系統(tǒng)時帶來極大的方便。用戶不必理解每一個I2C總線器件的功能如何，只要將器件的引腳SDA和引腳SCL連到I2C總線上，然后對該器件模塊進行獨立的電路設計，從而簡化系統(tǒng)設計的復雜性，提高系統(tǒng)的抗干擾能力，符合EMC（Electromagnetic Compatibility）設計原則。（2）器件地址的特殊性。I2C總線接口系統(tǒng)中的主器件一般為單片機，每個I2C總線上的從器件都有唯一的從地址，1路I2C總線可以接多個從器件。I2C總線中的2根線，1個為數據線、1個為時鐘線，沒有專用的地址線，因此，只能通過啟動信號之后的幾個字節(jié)來傳送器件的地址、器件內RAM地址和讀寫控制命令。每個I2C器件的接口電路具有唯一的器件地址，由于不能發(fā)出串行時鐘信號而只能作為從器件使用。各個器件之間互不干擾，相互之間不能進行通信，各個器件可以單獨供電。MCU與I2C器件之間的通信是通過獨一無二的地址來實現的。（3）軟件操作的一致性。任何器件通過I2C器件與MCU進行數據傳輸的方式基本是一樣的，這就決定了I2C總線軟件編寫的一致性，極大地方便了I2C總線設計的模塊化和規(guī)范化，伴隨而來的是用戶在使用I2C總線時的“傻瓜”化。2.3 數字信號傳輸規(guī)范發(fā)展的新趨勢傳統(tǒng)的并行傳輸技術，因其無法克服的線間串擾和外部電磁干擾，已逐漸淡出高速傳輸技術領域，串行傳輸技術已經趁機步入。如果仔細觀察周圍事物一定會發(fā)現，目前帶并行接口的電腦外部設備已悄悄地離去，代之而來的帶串口的外部設備已慢慢占據了半壁江山，用USB接口的打印機、掃描儀、數碼相機已比比皆是，連高速硬盤也開始采用Serial ATA 150的串行接口，這是為什么呢？ 1硬盤接口的發(fā)展內、外存儲器一直是計算機系統(tǒng)的瓶頸，幾十年來，人們堅持不懈地在努力克服此瓶頸。其中，硬盤的接口速率從3.3Mb/s提高到目前的133Mb/s進步不小。但這種速度的提升并非是革命性的，因為它們在一直沿用傳統(tǒng)的并行傳輸模式。在低速傳送時，多位并行傳送技術明顯高于每次只傳送一位的串行技術，但當傳送速率提高時并行傳送線的線間串擾和外部電磁干擾變得難于忍受，以至使傳輸無法進行。雖然在ATA60時代采用80P數據線（即在兩根并行傳輸線間加進地線）以減少干擾，但只是治標不治本的無奈之舉。2新型的串行傳輸技術按人之常理，一次傳送8位的并行技術，其傳輸速率總是大于一次只傳送一位的串行技術，但這句話只是在傳送速率較低的情況下是正確的。目前，串行技術再次浮出水面，但這并不是舊戲重演，關鍵在于它的傳送速率已遠遠高于原先的傳送速率。放眼當前的數字信號傳送規(guī)范領域，串行技術取代傳統(tǒng)并行技術已是大勢所趨。USB2.0、現IEEE1394、Hyper Transport及Mutiol等高速總線在設計時，全部或部分地采用了串行通信技術的原理，由干串行通信幾乎不存在信號串擾的問題，因此這種設計構想可保證高頻率下的穩(wěn)定工作，從而獲得超過并行技術的高速度，而高頻率和串行傳輸模式也就成為現代高速總線的共同特征，新發(fā)展起來的Serial ATA也是如此。第3章 常見接口標準3.1常見的串行通信接口標準8在通訊系統(tǒng)中，數據通訊、計算機網絡及過程控制系統(tǒng)經常通過各自配備的標準串行通訊接口，再加上合適的通訊電纜實現相互通訊。串行通訊接口是連接計算機、終端、通訊控制器等設備之間的物理接口，它的作用是把用戶設備連接到通訊線路上去，從而實現設備之間的正常通訊。目前，常見的串行通訊接口標準主要有：RS-232C接口、 RS-422A/RS-449接口、RS-485接口以及20mA電流環(huán)接口。 RS-422引腳圖 RS-232引腳圖 RS-485引腳圖圖3.1接口引腳說明3.1.1 RS-232、RS-422與RS-485的由來RS-232、RS-422與RS-485都是串行數據接口標準，最初都是由電子工業(yè)協會（EIA）制訂并發(fā)布的，RS-232在1962年發(fā)布，命名為EIA-232-E，作為工業(yè)標準，以保證不同廠家產品之間的兼容。RS-422由RS-232發(fā)展而來，它是為彌補RS-232之不足而提出的。為改進RS-232通信距離短、速率低的缺點，RS-422定義了一種平衡通信接口，將傳輸速率提高到10Mb/s，傳輸距離延長到4000英尺（速率低于100kb/s時），并允許在一條平衡總線上連接最多10個接收器。RS-422是一種單機發(fā)送、多機接收的單向、平衡傳輸規(guī)范，被命名為TIA/EIA-422-A標準。為擴展應用范圍，EIA又于1983年在RS-422基礎上制定了RS-485標準，增加了多點、雙向通信能力，即允許多個發(fā)送器連接到同一條總線上，同時增加了發(fā)送器的驅動能力和沖突保護特性，擴展了總線共模范圍，后命名為TIA/EIA-485-A標準。由于EIA提出的建議標準都是以“RS”作為前綴，所以在通訊工業(yè)領域，仍然習慣將上述標準以RS作為前綴稱謂。RS-232、RS-422與RS-485標準只對接口的電氣特性做出規(guī)定，而不涉及接插件、電纜或協議，在此基礎上用戶可以建立自己的高層通信協議。因此在視頻界，許多廠家都建立了一套高層通信協議，或公開或廠家獨家使用。如錄像機廠家中的Sony與松下對錄像機的RS-422控制協議是有差異的，視頻服務器上的控制協議則更多了，如Louth、Odetis協議是公開的，而ProLINK則是基于Profile上的。3.1.2 RS-232C通訊接口RS-232C通訊接口是一種標準化的串行接口，是為遠程通訊連接數據終端設備DTE（Data Terminal Equipment）與數據通訊設備DCE（Data Communication Equipment）定義的物理接口?，F普遍用于計算機之間和計算機與外設之間，符合EIA（電子工業(yè)協會）規(guī)格要求，在國際上得到廣泛應用。其特點是信號少，使用簡單，方便。1 電氣特性EIA-RS-232C對電氣特性、邏輯電平和各種信號線功能都作了明確規(guī)定：在TXD和RXD引腳上電平定義：邏輯1（MARK）=-3-15V邏輯0（SPACE）=+3+15V在RTS、CTS、DSR、DTR和DCD等控制線上電平定義：信號有效（接通，ON狀態(tài)，正電壓）=+3+15V信號無效（斷開，OFF狀態(tài)，負電壓）=-3-15V以上規(guī)定說明了RS-232C標準對邏輯電平的定義。對于數據（信息碼）：邏輯“1”的傳輸的電平為-3-15，邏輯“0”傳輸的電平為+3+15V；對于控制信號：接通狀態(tài)（ON）即信號有效的電平為+3+15V，斷開狀態(tài)（OFF）即信號無效的電平為-3-15V，也就是當傳輸電平的絕對值大于3V時，電路可以有效檢查出來；而介于-3+3V之間的電壓即處于模糊區(qū)電位，此部分電壓將使得計算機無法準確判斷傳輸信號的意義，可能會得到0，也可能會得到1，如此得到的結果是不可信的，在通信時候體現的是會出現大量誤碼，造成通信失敗。因此，實際工作時，應保證傳輸的電平在（315）V之間。2RS-232接口定義及連線RS-232接口又稱之為RS-232口、串口、異步口或一個COM（通信）口?！癛S-232”是其最明確的名稱。在計算機世界中，大量的接口是串口或異步口，但并不一定符合RS-232標準，但我們也通常認為它是RS-232口。嚴格地講RS-232接口是DTE（數據終端設備）和DCE（數據通信設備）之間的一個接口，DTE包括計算機、終端、串口打印機等設備。DCE通常只有調制解調器（MODEM）和某些交換機COM口是DCE。標準指出DTE應該擁有一個插頭（針輸出），DCE擁有一個插座（孔輸出）。這經常被制造商忽視（如：WYSE終端就是孔輸出DTE串口）但影響不大，只要搞清楚DCE、DTE就行了，然后按照標準接線圖接線就不會錯。RS-232引腳定義見表3.1表3.1RS-232引腳定義9針RS-232串口（DB9）25針RS-232串口（DB25）引腳簡寫功能說明引腳簡寫功能說明1CD載波偵測（Carrier Detect）8CD載波偵測（Carrier Detect）2RXD接收數據（Receive）3RXD接收數據（Receive）3TXD發(fā)送數據（Transmit）2TXD發(fā)送數據 （Transmit）4DTR數據終端準備（Data Terminal Ready）20DTR數據終端準備 （Data Terminal Ready）5GND地線（Ground）7GND地線（Ground）6DSR數據準備好（Data Set Ready）6DSR數據準備好（Data Set Ready）7RTS請求發(fā)送（Request To Send）4RTS請求發(fā)送 （Request To Send）8CTS清除發(fā)送（Clear To Send）5CTS清除發(fā)送（Clear To Send）9RI振鈴指示（Ring Indicator）22RI振鈴指示（Ring Indicator）RS-232規(guī)定了信號之間的時序關系，以便正確地發(fā)送和接收數據。為實現遠程數據通訊的需要，通常采用調制解調器（Modem）連接數據終端設備與數據通訊系統(tǒng)，如圖3.2所示。在短距離的數據傳輸中，計算機與設備的互聯采用交叉跳線連接信號線的方法“零Modem”連接方法實現通訊?！傲鉓odem”連接方法如圖3.3所示。在設備終端始終處于準備好的場合，不需要握手信號進行聯絡，通常只使用“信號地”、“發(fā)送數據”和“接收數據”等信號線來建立信息傳輸，如圖3.4所示3。ModemModemPGNDTXDRTSRXDCTSDSRCDDTRRISGNDRS-232電話線PGNDTXDRTSRXDCTSDSRCDDTRRISGNDRS-2322計算機或終端計算機或終端圖 3.2 經Modem 進行雙向串行通訊接口連接PGNDTXDRXDRTSCTSDSRDTRSGNDPGNDTXDRXDRTSCTSDSRDTRSGND圖3.3“零Modem”連接方法 3.1.3 其它串行口介紹1RS-422A通訊接口為了擴大傳輸距離，提高通訊速率，增強抗干擾能力，在RS-232C的基礎上，制定了新的串行通訊標準RS-422A, 它是以一種平衡方式來傳輸信息的。所謂平衡方式，是指雙 SGNDTXDRXD數據終端設備數據終端設備圖3.4三線雙向接口連接端發(fā)送和雙端接收。RS-422A可稱為雙端口電氣標準。當采用RS-422A標準電信號時，與RS-232C相比有如下不同之處：（1）在RS-232C的基礎上對信號線做了調整：刪除了RS-232C中的保護地以及用于測試的兩個信號，新定義了本地環(huán)測試和遠程環(huán)測試模式、檢修終端信號、頻率選擇信號及發(fā)送公共端和接收公共端等十個信號及功能；（2）對信號的功能做了改變；（3）RS-422A標準插針數為37根；（4）傳速率可達10Mb/S；（5）接收器輸入靈敏度為200mV；（6）驅動器輸出電平為2V（帶負載）或1V（無負載），接收器輸入電平可低到200mV。2RS-485通訊接口RS-485采用平衡發(fā)送和差分接收方式來實現通訊。在發(fā)送端將串行口的TTL電平信號轉換成差分信號兩路輸出，經傳輸后在接收端將差分信號還原成TTL電平信號。兩條傳輸線通常采用雙絞線，同時又是差分傳輸，因此有極強的抗共模干擾能力，接收靈敏度也相當高。同時，最大傳輸率和最大傳輸距離也大大提高。如果以10Mbps速率傳輸數據，最大傳輸距離為12m，而用100Kbps傳輸數據，傳輸距離可達1.2Km；如果降低波特率，傳輸距離還可進一步提高。用RS-485可實現多點互聯，最多可達32臺驅動器和32臺接收器，不僅可以實現半雙工通訊，而且還可以實現全雙工通訊。320mA電流環(huán)接口20mA電流環(huán)是一種未經正式頒布的電流控制的串行通訊標準，其具有抗干擾能力強，傳輸距離遠的優(yōu)點，在計算機遠距離通訊中應用較廣。20mA電流環(huán)標準對邏輯數據的規(guī)定是：回路中有20mA 電流通過表示邏輯“1”；無電流表示邏輯“0”。若要同時發(fā)送和接收，則需要四根線構成輸出電流回路和輸入電流回路。由于20mA電流環(huán)是一種異步串行接口標準，在每次發(fā)送數據時，須以無電流的狀態(tài)作為每一個字符的起始位，接收端檢測到起始位時便開始接收字符數據。常見的串行通訊接口標準見表3.2。從表中可以看出RS-232C標準可用于近距離傳輸數據，接線方式靈活、簡單；RS-485適用于遠距離，多點間通訊，常用于工業(yè)現場采集和控制信號的傳輸。采用何種串行通訊標準要根據實際的要求來確定。表3.2常見串行通信接口標準比較特性參數RS-232CRS-422ARS-485傳輸線上允許的驅動器數目1132傳輸線上允許的接收器數目11032最大電纜長度15m1.2Km（90Kbps）1.2 Km（100Kbps）最大數據傳輸速率20Kbps10Mbps（12m）10Mbps（15m）驅動器輸出最大電壓值25V6V-7V+12V驅動器輸出信號電平5V（帶負載）15V（未帶負載）2V（帶負載）6V（未帶負載）1.5V（帶負載）5V（未帶負載）驅動器負載阻抗37K10054驅動器電源開路電流（高組態(tài)）V/300100100接收器輸入電壓范圍15V12V-7V+12V接收器輸入靈敏度3V200mV200mV接收器輸入阻抗27K4K（最小值）12K（最小值）工作模式單工雙工雙工3.2 并行口工作模式3.2.1 工作模式分類早期的微型計算機的并行口是專為打印機而設計的，其功能主要是向打印機輸出數據，這就是目前并行口的SPP模式。增強并行口EPP（Enhanced Parallel Port）是Intel公司等為了在外設間進行雙向通信而開發(fā)的，1991年它開始用在筆記本電腦上，在586以后的主板上被普遍使用。除上述兩種模式外，Microsoft公司也開發(fā)了一種具有DMA（Direct Memory Access）功能的雙向并行口并被稱為擴展并行口ECP（Extended Capabilities Port），目前這3種模式已經成為微型機的標準9。并行口的工作模式也在實際應用過程中發(fā)生了較大的變化，經歷了SPP(Standard Parallel Port)模式、PS2模式、EPP（Enhanced Parallel Port）模式、ECP（Extended Capabilities Port）模式及混合模式等。其中EPP模式首次使并行口能夠與外設進行雙向高速的數據傳輸，大大提高了并行口的實用性。而ECP模式為并行口的快速數據傳輸提供了另一種途徑。常見的計算機并口模式可分為兼容模式（Compatibility Mode）、半字節(jié)模式（Nibble Mode）、字節(jié)模式（Byte Mode），增強模式EPP（Enhanced Parallel Port）和擴展模式ECP（Extended Capabilities Port）。其中，EPP模式和ECP模式適用于較高速率的數據通信，同時它們也兼容標準打印口的操作。在計算機的CMOS設置里通常按照以下模式區(qū)分：標準模式、雙向模式、EPP模式、ECP模式等。3.2.2 SPP和EPP模式1標準并行口SPP工作模式SPP 模式中，并口分為三個端口：數據端口、狀態(tài)端口和控制端口。（1）數據端口或數據寄存器的地址即為基地址378H，這個寄存器通常只能寫數據；（2）狀態(tài)端口是一個只讀端口，其地址為基地址+1，任何向這個端口寫的數據將會被忽略；（3）狀態(tài)口由5根輸入線（第10，11，12，13，15 腳），1個IRQ寄存器和兩個保留位組成。控制口是一個可讀可寫的端口，其地址為基地址+2。第6、7位沒有被使用，當一個外部設備與并口相連時，4個“控制位”被使用，它們是低4位Strobe，Auto Linefeed，Initialize和Select Printer，除Initialize腳，其它三個腳都被硬件反相了。SPP模式下各引腳信號定義見表3.32EPP模式表3.3 SPP模式下各引腳信號定義端口DB25SPP名稱I/O功能數據29D0D7輸出在SPP指令下輸出數據控制1nSTROBE輸出低電平有效，表明數據在數據線上有效到達14AUTOFEED輸出低電平有效，打印機遇回車符自動換行16nINIT輸出低電平有效，對打印機進行復位17nSELECTIN輸出低電平有效，表明已經選中的打印機狀態(tài)10nACK輸入以插入低電平表明最后一個字符接收完畢11BUSY輸入以插入高電平表明打印機處于忙狀態(tài)12PE輸入沒有打印紙13SELECT輸入以插入高電平表明打印機處于待命狀態(tài)15nERROR輸入表明打印機出錯18251825接地EPP（Enhanced Parallel Port）是一種與標準并行口兼容且能完成雙向數據傳輸的外圍接口模式。EPP所對應的I/O端口不僅使用與SPP同樣的基地址，而且還占用了后面的五個端口作為附加端口，EPP實際上是由8個地址連續(xù)的硬件端口組成的。EPP提供了以下4種數據傳送周期：數據寫周期、數據讀周期、地址寫周期和地址讀周期。數據周期一般用于主機和外設間的數據傳輸，地址周期一般用于傳送地址、通道、命令和控制等信息。這些周期也可看成兩種不同的數據周期。設計者可以靈活應用這些地址/數據信息以滿足各自的特殊需求。由于在EPP模式下數據的收發(fā)均由數據口完成，并且對口的操作用單步指令完成，大大提高了工作速率。EPP協議是一種與標準并行口兼容且能完