串行通信的基本概念

1、第1部分 串行通信的基本概念 1.1 串行通信的基本概念 1.2 串行通信的方式 1.3 串行通信中的差錯控制 1.4 串行通信中的同步問題 1.5 串行通信協(xié)議和接口標準 設(shè)備之間的信息交換稱為通信，基本的通信方式有兩種： 并行通信（parallel communication）和串行通信（serial communication）。 并行通信：所傳送數(shù)據(jù)的各位同時發(fā)送或接收。 串行通信：所傳送數(shù)據(jù)的各位按順序一位一位地發(fā)送或接收。（a） 并行通信； （b） 串行通信 并行通信：數(shù)據(jù)傳輸速度快， 通信線多，不便長距離傳送。常用于設(shè)備內(nèi)部通信。 串行通信：通信線少，傳輸距離遠，數(shù)據(jù)傳輸速度較慢

2、。常用于設(shè)備之間的通信。1.1 串行通信的基本概念 1.串行通信數(shù)據(jù)的傳送方式 串行通信時，數(shù)據(jù)在兩個站A與B之間傳送，按傳送方向可分為單工、半雙工和全雙工3種方式。 （1）單工方式 兩個傳輸站點之間一方只能發(fā)送，另一方只能接收。 （2）半雙工方式 兩個傳輸站點之間任何一方都能發(fā)送數(shù)據(jù)，但由于設(shè)備之間只有一條通信線路，在同一時刻只能在一個方向上傳輸數(shù)據(jù)，如對講機。 （3）全雙工方式 兩個傳輸站點之間雙方使用不同的通信線路，因此，兩個傳輸站點之間同時發(fā)送和接收數(shù)據(jù)，發(fā)送時能接收，接收時也能發(fā)送。如電話。1.1 串行通信的基本概念 2.通信速率 通信速率反映數(shù)據(jù)傳輸?shù)目炻饕袛?shù)據(jù)傳輸率和波特率

3、兩個指標。在串行通信中，常用波特率來表示數(shù)據(jù)傳輸?shù)乃俾省?波特率（定義：每秒傳輸數(shù)據(jù)的位數(shù)，即：1波特 = 1位/秒。其單位是b/s（位/秒，也可寫成bps）。雖然波特率可以由通信雙方任意定義為每秒多少位，但在串行通信中，是采用標準的波特率系列，如110，150，300，600，1200，2400，4800，9600，19200，115200，38400b/s等。 有時也用“位周期”來表示傳輸速率，即傳輸1位數(shù)據(jù)所需的時間。顯然，位周期是波特率的倒數(shù)。相互通信的甲乙雙方必須具有相同的波特率，否則無法成功地完成串行數(shù)據(jù)通信。如串行通信規(guī)定：一個串行字符包括1個起始位，7個數(shù)據(jù)位，1個奇偶校驗位和

4、1個停止位，共10個數(shù)據(jù)位構(gòu)成，每秒傳送120個字符，則波特率為： 10位/字符120字符/秒=1200位/秒傳送每一位占用的時間為：1秒/1200=0.833毫秒3.串行通信的校驗 串行通信的目的不只是傳送數(shù)據(jù)信息，更重要的是應(yīng)確保準確無誤地傳送。因此必須考慮在通信過程中對數(shù)據(jù)差錯進行校驗，因為差錯校驗是保證準確無誤地通信的關(guān)鍵。常用差錯校驗方法有奇偶校驗、累加和校驗以及循環(huán)冗余碼校驗（CRC）等。 （1）奇偶校驗 在發(fā)送數(shù)據(jù)時，數(shù)據(jù)位尾隨的1位為奇偶校驗位（1或0）。奇校驗時，數(shù)據(jù)中“1”的個數(shù)與校驗位“1”的個數(shù)之和應(yīng)為奇數(shù)；偶校驗時，數(shù)據(jù)中“1”的個數(shù)與校驗位“1”的個數(shù)之和應(yīng)為偶數(shù)。

5、接收字符時，對“1”的個數(shù)進行校驗，若發(fā)現(xiàn)不一致，則說明傳輸數(shù)據(jù)過程中出現(xiàn)了差錯。 （2）累加和校驗 累加和校驗是指發(fā)送方將所發(fā)送的數(shù)據(jù)塊求和，并將“校驗和”附加到數(shù)據(jù)塊末尾。接收方接收數(shù)據(jù)時也是先對數(shù)據(jù)塊求和，將所得結(jié)果與發(fā)送方的“校驗和”進行比較，若兩者相同，表示傳送正確，若不同則表示傳送出了差錯?！靶ｒ灪汀钡募臃ㄟ\算可用邏輯加，也可用算術(shù)加。累加和校驗的缺點是無法檢驗出字節(jié)或位序的錯誤。 （3）循環(huán)冗余碼校驗（CRC） 循環(huán)冗余碼校驗的基本原理是將一個數(shù)據(jù)塊看成一個位數(shù)很長的二進制數(shù)，然后用一個特定的數(shù)去除它，將余數(shù)作校驗碼附在數(shù)據(jù)塊之后一起發(fā)送。接收端收到該數(shù)據(jù)塊和校驗碼后，進行同樣的

6、運算來校驗傳送是否出錯。目前CRC已廣泛用于數(shù)據(jù)存儲和數(shù)據(jù)通信中，并在國際上形成規(guī)范，市面上已有不少現(xiàn)成的CRC軟件算法。1.1 串行通信的基本概念 4.串行通信中的調(diào)制與解調(diào) 計算機的通信是要求傳送數(shù)字信號，它包含了從低頻到高頻的諧波成分，因此要求傳輸線的頻帶很寬。在遠距離通信時，為了降低成本，線路往往是借用現(xiàn)有的公用電話網(wǎng)；公用電話網(wǎng)是為音頻模擬信號而設(shè)計的，線路的頻帶約為3003400Hz，如果讓數(shù)字信號直接在電話線上傳輸，高次諧波的衰減就會很厲害，從而使傳輸?shù)男盘柈a(chǎn)生嚴重的畸變和失真；而在電話線上傳輸模擬信號，則失真較小。 因此在遠距離通信時，發(fā)送方需要對二進制信號進行調(diào)制，用調(diào)制器（

7、Modulator）把數(shù)字信號轉(zhuǎn)換為模擬信號，從通信線上發(fā)送出去，以適合在電話網(wǎng)上傳輸相應(yīng)的音頻信號，而接收端也就要用解調(diào)器（Demodulator），把從通信線上接收下來的模擬信號，解調(diào)還原成數(shù)字信號。1.1 串行通信的基本概念 1.2 串行通信的方式 串行通信按同步方式可分為異步通信和同步通信。同步通信靠同步時鐘信號來實現(xiàn)數(shù)據(jù)的發(fā)送和傳輸，而異步通信是一種利用一幀字符中的起始位和停止位來完成收發(fā)同步的通信方式。1.同步通信方式 同步通信依靠同步字符保持通信同步。同步方式通信時，發(fā)送方要發(fā)送數(shù)據(jù)信號，同時還要發(fā)送一個用于同步的時鐘信號。同步時鐘信號的一個周期和一個數(shù)據(jù)時對應(yīng)的。格式見下圖：同

8、步時鐘信號可以單獨用一根信號線傳送，也可以和數(shù)據(jù)信號組合在一根信號線上傳送。根據(jù)雙方約定，接收方監(jiān)測到同步字符后，接收被發(fā)送的字符流；將接收到的字符轉(zhuǎn)換成并行數(shù)據(jù)。同步傳輸?shù)臄?shù)據(jù)是連續(xù)傳送的。若干個數(shù)據(jù)組成一個數(shù)據(jù)塊。通信開始后，發(fā)送方連續(xù)發(fā)送信息流，直到這個數(shù)據(jù)塊結(jié)束。同步字符可以為1個或2個。不發(fā)送數(shù)據(jù)時，傳輸線呈現(xiàn)高電平（MARK狀態(tài)）。2.面向字符的同步通信數(shù)據(jù)格式 同步通信是以數(shù)據(jù)塊（若干個字節(jié)）為單位進行傳輸?shù)?。所謂面向字符格式，就是在數(shù)據(jù)塊的前面加12個特定的同步字符，接著是表示傳輸?shù)脑吹刂芳澳繕说刂?，以及?shù)據(jù)塊開始與結(jié)束的字符，最后是循環(huán)冗余校驗碼（CRC），形成一個完整的數(shù)據(jù)

9、塊幀格式。由于被傳輸?shù)臄?shù)據(jù)塊是由字符組成的，故被稱作面向字符的數(shù)據(jù)格式，如圖所示。 SYN：同步字符（Synchronous），表示一幀的開始。 SOH：序始字符（Start of Header），表示標題的開始。 標題：包括原地址，目的地址，路由指示等信息。 STX：文始字符（Start of Text），表示正文開始。 ETB/ETX：組終/文終字符（End of Text）ETB（End of Transmission Block）。 塊校驗：從SOH-ETB/ETX字段進行校驗，方式可以是方陣奇偶校驗或CRC。 特點：（1）一次傳送是一個數(shù)據(jù)塊，傳輸效率提高了。（2）采用了一些傳輸控制

10、字，增加了通信控制能力和校驗?zāi)芰Α?同步通信的幀格式：同步傳輸需要定義一個幀的開始和結(jié)束。通常用1個同步字符（標志符）來表示。數(shù)據(jù)（61H） 發(fā)送方在時鐘信號的下降沿發(fā)送字節(jié)接收方在時鐘信號的上升沿接收字節(jié)時鐘同步傳輸?shù)臅r鐘定時方法： 3.異步傳輸方式 異步傳送的數(shù)據(jù)以字符為單位。傳送時，各個字符可以連續(xù)傳送，也可以斷續(xù)傳送，發(fā)送方根據(jù)需要來決定。數(shù)據(jù)傳輸?shù)乃俾剩úㄌ芈剩┦请p方事先約定好的。異步傳送的另一個特點是雙方各自用自己的時鐘信號來控制發(fā)送和接收。 異步通信以幀為傳輸單位，其中包含了一個字符的信息。一個幀由起始位開始，停止位結(jié)束。2個幀之間為空閑位，一幀信息由7位到12為二進制組成。格式

11、如下： （1）起始位 傳輸線上沒有數(shù)據(jù)傳輸時，處于連續(xù)的邏輯1狀態(tài)。一幀數(shù)據(jù)以1位邏輯0開始，它告訴接收方一幀數(shù)據(jù)開始，該位稱為起始位。 （2）數(shù)據(jù)位 起始位之后緊接的是數(shù)據(jù)位，數(shù)據(jù)位的個數(shù)為5到8位，位數(shù)由收發(fā)雙方約定，先發(fā)送低位，后發(fā)送高位。 3.異步傳輸方式 （3）奇偶校驗位 數(shù)據(jù)位之后緊接的是奇偶校驗位，通信雙方要事先約定是采用奇校驗還是采用偶校驗。如果采用奇校驗傳輸，那么數(shù)據(jù)位和校驗位中1的總個數(shù)為奇數(shù)個。如果采用偶校驗傳輸，那么數(shù)據(jù)位和校驗位中1的總個數(shù)為偶數(shù)個。奇偶校驗位并不是必不可少的，也可以采用無校驗傳輸。 （4）停止位 最后是停止位，他可以是1位，1.5位或者2位的邏輯1信

12、號，標志著一幀的數(shù)據(jù)結(jié)束。 4.同步串行通信和異步串行通信的比較 同步串行通信的特點：同步串行通信的特點：以數(shù)據(jù)塊為信息單位傳送。即：字符內(nèi)部位與位之間傳送是同步的，字符與字符之間傳送也是同步的。同步通信方式的傳輸速率高，傳輸設(shè)備復(fù)雜，技術(shù)要求高。一般用在要求快速、連續(xù)傳輸大批量數(shù)據(jù)的場合。 異步串行通信的特點：異步串行通信的特點：以字符為信息單位傳送。即：傳送同一字符的每一位時是同步的，而字符與字符之間是異步的。異步通信方式的傳輸速率低，傳輸設(shè)備簡單，易于實現(xiàn)。因此，一般用在數(shù)據(jù)傳輸時間不能確定、發(fā)送數(shù)據(jù)不連續(xù)、數(shù)據(jù)量較少和數(shù)據(jù)傳輸速率較低的場合。1.3 串行通信中的差錯控制1.誤碼率的控制

13、 所謂誤碼率，是指數(shù)據(jù)經(jīng)傳輸后發(fā)生錯誤的位數(shù)與總傳輸位數(shù)之比。在計算機通信中，一般要求誤碼率達到10-6數(shù)量級。 為減少誤碼率，應(yīng)從兩方面做工作：一方面從硬件和軟件著手對通信系統(tǒng)進行可靠性設(shè)計，以達到盡量少出差錯的目的；另一方面是對所傳輸?shù)男畔⒉捎脵z糾錯編碼技術(shù)，以便及時發(fā)現(xiàn)和糾正傳輸過程出現(xiàn)的差錯。2.檢錯編碼方法的使用 錯誤信息的檢驗與信息的傳輸效率之間存在矛盾，或者說信息傳輸?shù)目煽啃允且誀奚鼈鬏斝蕿榇鷥r的。一般來說，附加的冗余位越多，監(jiān)督作用和檢糾錯能力就越強，但有效信息位所占的比例相對減少，信息傳輸效率也就越低。 實現(xiàn)檢錯編碼的方法很多，常用的有奇偶檢驗、循環(huán)冗余碼檢驗（CRC）、海

14、明碼校驗、交叉奇偶校驗等。而在串行通信中應(yīng)用最多的是奇偶校驗和循環(huán)冗余碼（CRC）校驗。3.錯誤校驗只在接收方進行 錯誤檢驗只在接收端進行，并且是采用軟件方法進行檢測。一般是在接收程序中，采用軟件編程方法，從接口電路的狀態(tài)寄存器中，讀出錯誤狀態(tài)位，判斷有無錯誤，進行檢測，或者通過調(diào)用BIOS軟中斷INT14H的狀態(tài)查詢子程序來檢測。4.錯誤狀態(tài)的分析與處理 異步串行通信過程中常見的錯誤有奇偶檢驗錯、溢出錯、幀格式錯。這些錯誤狀態(tài)一般都存放在接口電路的狀態(tài)寄存器中，以供CPU進行分析和處理。 （1）奇偶校驗錯：在接收方接收到的數(shù)據(jù)中，1的個數(shù)與奇偶校驗位不符。這通常是由噪聲干擾而引起的，發(fā)生這種

15、錯誤時接收方可要求發(fā)送方重發(fā)。 （2）溢出錯：接收方?jīng)]來得及處理收到的數(shù)據(jù)，發(fā)送方已經(jīng)發(fā)來下一個數(shù)據(jù)，造成數(shù)據(jù)丟失。這通常是由收發(fā)雙方的速率不匹配而引起的，可以采用降低發(fā)送方的發(fā)送速率或者在接收方設(shè)置FIFO緩沖區(qū)的方法來減少這種錯誤。 （3）幀格式錯：接收方收到的數(shù)據(jù)與預(yù)先約定的格式不符。這種錯誤大多是由于雙方數(shù)據(jù)格式約定不一致或干擾造成的，可通過核對雙方的數(shù)據(jù)格式減少錯誤。 （4）在查詢方式的通信程序中，還有“超時錯”。一般由接口硬件電路速度跟不上而產(chǎn)生。1.3 串行通信中的差錯控制1.4 串行通信中的同步問題 串行傳輸?shù)囊粋€重要問題就是接收端如何判斷數(shù)據(jù)何時開始。對同步方式傳輸是要判斷數(shù)

16、據(jù)塊何時開始，即所謂的塊同步問題。對異步方式傳輸是要判斷數(shù)據(jù)字符何時開始，即所謂字符同步問題。另外，還有串行數(shù)據(jù)流中，各數(shù)據(jù)位如何接收的問題，即所謂位同步。為了解決接收端如何判斷數(shù)據(jù)的開始問題，對同步通信和異步通信采用不同的解決方案。 1.1.字符同步的方案：字符同步的方案： （1）同步通信對雙同步通信（BISYNC），接收器通過搜索12個特定的同步字符來判斷1個數(shù)據(jù)塊的開始。對高級數(shù)據(jù)鏈路控制同步通信（HDLC），接收器通過搜索特定字符（01111110）來判斷一個數(shù)據(jù)塊的開始。 （2）異步通信對起止式異步通信，接收器通過檢測起始位來判斷一個數(shù)據(jù)字符的開始。 2.2.位同步方案位同步方案 接

17、收器通過時鐘信號來接收每一位數(shù)據(jù)。規(guī)定若干個（如16個）時鐘脈沖就接收一位數(shù)據(jù)。1.5 串行通信協(xié)議和接口標準 1.串行通信協(xié)議 通信協(xié)議是指通信雙方的一種約定，包括對數(shù)據(jù)格式、同步方式，傳送速度、傳送步驟、檢糾錯方式等問題作出統(tǒng)一規(guī)定，也稱通信控制規(guī)程。 ISO（Inter national Standard Organization）國際標準化組織。OSI（Open System Interconnection）開放系統(tǒng)互連參考模型。通信控制規(guī)程屬于ISOS OSI七層參考模型中的數(shù)據(jù)鏈路層。2.串行通信接口標準 （1）RS-232C接口標準 RS-232C是美國電子工業(yè)協(xié)會（EIA）制定

18、的一種串行物理接口標準。它適合于數(shù)據(jù)傳輸速率在020kb/s范圍內(nèi)的通信。這個標準對串行通信接口的有關(guān)問題，如信號線功能、電氣特性都作了明確規(guī)定。由于通信設(shè)備廠商都生產(chǎn)與RS-232C制式兼容的通信設(shè)備，因此，它作為一種標準，目前已在微機通信接口中廣泛采用。 RS-232C標準（協(xié)議）的全稱是EIA-RS-232C標準，其中EIA（Electronic Industry Association） 代表美國電子工業(yè)協(xié)會，RS（recommended standard）代表推薦標準，232是標識號，C代表RS-232的最新一次修改（1969）。在這之前，有 RS-232B、RS-232A。它規(guī)定連

19、接電纜和機械、電氣特性、信號功能及傳送過程。 RS-232C總線標準設(shè)有25條信號線，包括一個主通道和一個輔助通道。在多數(shù)情況下主要使用主通道，對于一般雙工通信，僅需幾條信號線就可實現(xiàn)，如一條發(fā)送線、一條接收線及一條地線。RS-232C 標準規(guī)定的數(shù)據(jù)傳輸速率為50、75、100、150、300、600、1200、2400、4800、9600、19200、38400。 RS-232C標準規(guī)定，驅(qū)動器允許有2500pF的電容負載，通信距離將受此電容限制，例如，采用 150pF/m的通信電纜時，最大通信距離為15m；若每米電纜的電容量減小，通信距離可以增加。傳輸距離短的另一原因是RS-232屬單端

20、信號傳送，存在共地噪聲和不能抑制共模干擾等問題，因此一般用于20m 以內(nèi)的通信。2.串行通信接口標準 （1）RS-232C接口標準 RS-232C是美國電子工業(yè)協(xié)會（EIA）制定的一種串行物理接口標準。它適合于數(shù)據(jù)傳輸速率在020kb/s范圍內(nèi)的通信。這個標準對串行通信接口的有關(guān)問題，如信號線功能、電氣特性都作了明確規(guī)定。由于通信設(shè)備廠商都生產(chǎn)與RS-232C制式兼容的通信設(shè)備，因此，它作為一種標準，目前已在微機通信接口中廣泛采用。 RS-232C標準（協(xié)議）的全稱是EIA-RS-232C標準，其中EIA（Electronic Industry Association） 代表美國電子工業(yè)協(xié)會，RS（recommended standard）代表推薦標準，232是標識號，C代表RS-232的最新一次修改（1969）。在這之前，有 RS-232B、RS-232A。它規(guī)定連接電纜和機械、電氣特性、信號功能及傳送過程。 RS-232C總線標準設(shè)有25條信號線，包括一個主通道和一個輔助通道。在多數(shù)情況下主要使用主通道，對于一般雙工通信，僅需幾條信號線就可實現(xiàn)，如一條發(fā)送線、一條接收線及一條地線。RS-232C 標