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(cuò)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(biāo)準(zhǔn) 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(shí)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(zhǎng)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(yuǎn)，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(shí)，數(shù)據(jù)在兩個(gè)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(gè)傳輸站點(diǎn)之間一方只能發(fā)送，另一方只能接收。 （2）半雙工方式 兩個(gè)傳輸站點(diǎn)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(shí)刻只能在一個(gè)方向上傳輸數(shù)據(jù)，如對(duì)講機(jī)。 （3）全雙工方式 兩個(gè)傳輸站點(diǎn)之間雙方使用不同的通信線路，因此，兩個(gè)傳輸站點(diǎn)之間同時(shí)發(fā)送和接收數(shù)據(jù)，發(fā)送時(shí)能接收，接收時(shí)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(gè)指標(biāo)。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(biāo)準(zhǔn)的波特率系列，如110，150，300，600，1200，2400，4800，9600，19200，115200，38400b/s等。 有時(shí)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(shí)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(gè)串行字符包括1個(gè)起始位，7個(gè)數(shù)據(jù)位，1個(gè)奇偶校驗(yàn)位和

4、1個(gè)停止位，共10個(gè)數(shù)據(jù)位構(gòu)成，每秒傳送120個(gè)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(shí)間為：1秒/1200=0.833毫秒3.串行通信的校驗(yàn) 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(zhǔn)確無誤地傳送。因此必須考慮在通信過程中對(duì)數(shù)據(jù)差錯(cuò)進(jìn)行校驗(yàn)，因?yàn)椴铄e(cuò)校驗(yàn)是保證準(zhǔn)確無誤地通信的關(guān)鍵。常用差錯(cuò)校驗(yàn)方法有奇偶校驗(yàn)、累加和校驗(yàn)以及循環(huán)冗余碼校驗(yàn)（CRC）等。 （1）奇偶校驗(yàn) 在發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，數(shù)據(jù)位尾隨的1位為奇偶校驗(yàn)位（1或0）。奇校驗(yàn)時(shí)，數(shù)據(jù)中“1”的個(gè)數(shù)與校驗(yàn)位“1”的個(gè)數(shù)之和應(yīng)為奇數(shù)；偶校驗(yàn)時(shí)，數(shù)據(jù)中“1”的個(gè)數(shù)與校驗(yàn)位“1”的個(gè)數(shù)之和應(yīng)為偶數(shù)。

5、接收字符時(shí)，對(duì)“1”的個(gè)數(shù)進(jìn)行校驗(yàn)，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(cuò)。 （2）累加和校驗(yàn) 累加和校驗(yàn)是指發(fā)送方將所發(fā)送的數(shù)據(jù)塊求和，并將“校驗(yàn)和”附加到數(shù)據(jù)塊末尾。接收方接收數(shù)據(jù)時(shí)也是先對(duì)數(shù)據(jù)塊求和，將所得結(jié)果與發(fā)送方的“校驗(yàn)和”進(jìn)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(cuò)?！靶ｒ?yàn)和”的加法運(yùn)算可用邏輯加，也可用算術(shù)加。累加和校驗(yàn)的缺點(diǎn)是無法檢驗(yàn)出字節(jié)或位序的錯(cuò)誤。 （3）循環(huán)冗余碼校驗(yàn)（CRC） 循環(huán)冗余碼校驗(yàn)的基本原理是將一個(gè)數(shù)據(jù)塊看成一個(gè)位數(shù)很長(zhǎng)的二進(jìn)制數(shù)，然后用一個(gè)特定的數(shù)去除它，將余數(shù)作校驗(yàn)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(yàn)碼后，進(jìn)行同樣的

6、運(yùn)算來校驗(yàn)傳送是否出錯(cuò)。目前CRC已廣泛用于數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和數(shù)據(jù)通信中，并在國(guó)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(jì)算機(jī)的通信是要求傳送數(shù)字信號(hào)，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(yuǎn)距離通信時(shí)，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(hào)而設(shè)計(jì)的，線路的頻帶約為3003400Hz，如果讓數(shù)字信號(hào)直接在電話線上傳輸，高次諧波的衰減就會(huì)很厲害，從而使傳輸?shù)男盘?hào)產(chǎn)生嚴(yán)重的畸變和失真；而在電話線上傳輸模擬信號(hào)，則失真較小。 因此在遠(yuǎn)距離通信時(shí)，發(fā)送方需要對(duì)二進(jìn)制信號(hào)進(jìn)行調(diào)制，用調(diào)制器（

7、Modulator）把數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換為模擬信號(hào)，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(hào)，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(hào)，解調(diào)還原成數(shù)字信號(hào)。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(shí)鐘信號(hào)來實(shí)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(shí)，發(fā)送方要發(fā)送數(shù)據(jù)信號(hào)，同時(shí)還要發(fā)送一個(gè)用于同步的時(shí)鐘信號(hào)。同步時(shí)鐘信號(hào)的一個(gè)周期和一個(gè)數(shù)據(jù)時(shí)對(duì)應(yīng)的。格式見下圖：同

8、步時(shí)鐘信號(hào)可以單獨(dú)用一根信號(hào)線傳送，也可以和數(shù)據(jù)信號(hào)組合在一根信號(hào)線上傳送。根據(jù)雙方約定，接收方監(jiān)測(cè)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(gè)數(shù)據(jù)組成一個(gè)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(gè)數(shù)據(jù)塊結(jié)束。同步字符可以為1個(gè)或2個(gè)。不發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，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(gè)字節(jié)）為單位進(jìn)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(gè)特定的同步字符，接著是表示傳輸?shù)脑吹刂芳澳繕?biāo)地址，以及數(shù)據(jù)塊開始與結(jié)束的字符，最后是循環(huán)冗余校驗(yàn)碼（CRC），形成一個(gè)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(biāo)題的開始。 標(biāo)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(yàn)：從SOH-ETB/ETX字段進(jìn)行校驗(yàn)，方式可以是方陣奇偶校驗(yàn)或CRC。 特點(diǎn)：（1）一次傳送是一個(gè)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(yàn)?zāi)芰Α?同步通信的幀格式：同步傳輸需要定義一個(gè)幀的開始和結(jié)束。通常用1個(gè)同步字符（標(biāo)志符）來表示。數(shù)據(jù)（61H） 發(fā)送方在時(shí)鐘信號(hào)的下降沿發(fā)送字節(jié)接收方在時(shí)鐘信號(hào)的上升沿接收字節(jié)時(shí)鐘同步傳輸?shù)臅r(shí)鐘定時(shí)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(shí)，各個(gè)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(gè)特點(diǎn)是雙方各自用自己的時(shí)鐘信號(hào)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(gè)字符的信息。一個(gè)幀由起始位開始，停止位結(jié)束。2個(gè)幀之間為空閑位，一幀信息由7位到12為二進(jìn)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(shí)，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(gè)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(yàn)位 數(shù)據(jù)位之后緊接的是奇偶校驗(yàn)位，通信雙方要事先約定是采用奇校驗(yàn)還是采用偶校驗(yàn)。如果采用奇校驗(yàn)傳輸，那么數(shù)據(jù)位和校驗(yàn)位中1的總個(gè)數(shù)為奇數(shù)個(gè)。如果采用偶校驗(yàn)傳輸，那么數(shù)據(jù)位和校驗(yàn)位中1的總個(gè)數(shù)為偶數(shù)個(gè)。奇偶校驗(yàn)位并不是必不可少的，也可以采用無校驗(yàn)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(hào)，標(biāo)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(diǎn)：同步串行通信的特點(diǎn)：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(chǎng)合。 異步串行通信的特點(diǎn)：異步串行通信的特點(diǎn)：以字符為信息單位傳送。即：傳送同一字符的每一位時(shí)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(jiǎn)單，易于實(shí)現(xiàn)。因此，一般用在數(shù)據(jù)傳輸時(shí)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(chǎng)合。1.3 串行通信中的差錯(cuò)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(cuò)誤的位數(shù)與總傳輸位數(shù)之比。在計(jì)算機(jī)通信中，一般要求誤碼率達(dá)到10-6數(shù)量級(jí)。 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(duì)通信系統(tǒng)進(jìn)行可靠性設(shè)計(jì)，以達(dá)到盡量少出差錯(cuò)的目的；另一方面是對(duì)所傳輸?shù)男畔⒉捎脵z糾錯(cuò)編碼技術(shù)，以便及時(shí)發(fā)現(xiàn)和糾正傳輸過程出現(xiàn)的差錯(cuò)。2.檢錯(cuò)編碼方法的使用 錯(cuò)誤信息的檢驗(yàn)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(jià)的。一般來說，附加的冗余位越多，監(jiān)督作用和檢糾錯(cuò)能力就越強(qiáng)，但有效信息位所占的比例相對(duì)減少，信息傳輸效率也就越低。 實(shí)現(xiàn)檢錯(cuò)編碼的方法很多，常用的有奇偶檢驗(yàn)、循環(huán)冗余碼檢驗(yàn)（CRC）、海

14、明碼校驗(yàn)、交叉奇偶校驗(yàn)等。而在串行通信中應(yīng)用最多的是奇偶校驗(yàn)和循環(huán)冗余碼（CRC）校驗(yàn)。3.錯(cuò)誤校驗(yàn)只在接收方進(jìn)行 錯(cuò)誤檢驗(yàn)只在接收端進(jìn)行，并且是采用軟件方法進(jìn)行檢測(cè)。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(cuò)誤狀態(tài)位，判斷有無錯(cuò)誤，進(jìn)行檢測(cè)，或者通過調(diào)用BIOS軟中斷INT14H的狀態(tài)查詢子程序來檢測(cè)。4.錯(cuò)誤狀態(tài)的分析與處理 異步串行通信過程中常見的錯(cuò)誤有奇偶檢驗(yàn)錯(cuò)、溢出錯(cuò)、幀格式錯(cuò)。這些錯(cuò)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(jìn)行分析和處理。 （1）奇偶校驗(yàn)錯(cuò)：在接收方接收到的數(shù)據(jù)中，1的個(gè)數(shù)與奇偶校驗(yàn)位不符。這通常是由噪聲干擾而引起的，發(fā)生這種

15、錯(cuò)誤時(shí)接收方可要求發(fā)送方重發(fā)。 （2）溢出錯(cuò)：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(gè)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(cuò)誤。 （3）幀格式錯(cuò)：接收方收到的數(shù)據(jù)與預(yù)先約定的格式不符。這種錯(cuò)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(duì)雙方的數(shù)據(jù)格式減少錯(cuò)誤。 （4）在查詢方式的通信程序中，還有“超時(shí)錯(cuò)”。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(cuò)控制1.4 串行通信中的同步問題 串行傳輸?shù)囊粋€(gè)重要問題就是接收端如何判斷數(shù)據(jù)何時(shí)開始。對(duì)同步方式傳輸是要判斷數(shù)

16、據(jù)塊何時(shí)開始，即所謂的塊同步問題。對(duì)異步方式傳輸是要判斷數(shù)據(jù)字符何時(shí)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(duì)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(duì)雙同步通信（BISYNC），接收器通過搜索12個(gè)特定的同步字符來判斷1個(gè)數(shù)據(jù)塊的開始。對(duì)高級(jí)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(gè)數(shù)據(jù)塊的開始。 （2）異步通信對(duì)起止式異步通信，接收器通過檢測(cè)起始位來判斷一個(gè)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(shí)鐘信號(hào)來接收每一位數(shù)據(jù)。規(guī)定若干個(gè)（如16個(gè)）時(shí)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(biāo)準(zhǔn) 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(duì)數(shù)據(jù)格式、同步方式，傳送速度、傳送步驟、檢糾錯(cuò)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(guó)際標(biāo)準(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn) （1）RS-232C接口標(biāo)準(zhǔn) RS-232C是美國(guó)電子工業(yè)協(xié)會(huì)（EIA）制定

18、的一種串行物理接口標(biāo)準(zhǔn)。它適合于數(shù)據(jù)傳輸速率在020kb/s范圍內(nèi)的通信。這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)串行通信接口的有關(guān)問題，如信號(hào)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(biāo)準(zhǔn)，目前已在微機(jī)通信接口中廣泛采用。 RS-232C標(biāo)準(zhǔn)（協(xié)議）的全稱是EIA-RS-232C標(biāo)準(zhǔn)，其中EIA（Electronic Industry Association） 代表美國(guó)電子工業(yè)協(xié)會(huì)，RS（recommended standard）代表推薦標(biāo)準(zhǔn)，232是標(biāo)識(shí)號(hào)，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(jī)械、電氣特性、信號(hào)功能及傳送過程。 RS-232C總線標(biāo)準(zhǔn)設(shè)有25條信號(hào)線，包括一個(gè)主通道和一個(gè)輔助通道。在多數(shù)情況下主要使用主通道，對(duì)于一般雙工通信，僅需幾條信號(hào)線就可實(shí)現(xiàn)，如一條發(fā)送線、一條接收線及一條地線。RS-232C 標(biāo)準(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，驅(qū)動(dòng)器允許有2500pF的電容負(fù)載，通信距離將受此電容限制，例如，采用 150pF/m的通信電纜時(shí)，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(hào)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(biāo)準(zhǔn) （1）RS-232C接口標(biāo)準(zhǔn) RS-232C是美國(guó)電子工業(yè)協(xié)會(huì)（EIA）制定的一種串行物理接口標(biāo)準(zhǔn)。它適合于數(shù)據(jù)傳輸速率在020kb/s范圍內(nèi)的通信。這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)串行通信接口的有關(guān)問題，如信號(hào)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(biāo)準(zhǔn)，目前已在微機(jī)通信接口中廣泛采用。 RS-232C標(biāo)準(zhǔn)（協(xié)議）的全稱是EIA-RS-232C標(biāo)準(zhǔn)，其中EIA（Electronic Industry Association） 代表美國(guó)電子工業(yè)協(xié)會(huì)，RS（recommended standard）代表推薦標(biāo)準(zhǔn)，232是標(biāo)識(shí)號(hào)，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(jī)械、電氣特性、信號(hào)功能及傳送過程。 RS-232C總線標(biāo)準(zhǔn)設(shè)有25條信號(hào)線，包括一個(gè)主通道和一個(gè)輔助通道。在多數(shù)情況下主要使用主通道，對(duì)于一般雙工通信，僅需幾條信號(hào)線就可實(shí)現(xiàn)，如一條發(fā)送線、一條接收線及一條地線。RS-232C 標(biāo)