1、 串行通信的基本原理 一、串口通信的基本原理 串行端口的本质功能是作为 CPU 和串行设备间的编码转换器。当数据从 CPU 经过串行端口发送出去时，字节数据转换为串行的位。在接收数据时，串行的位被转换为字节数据。在 Windows 环境（Windows NT、Win98、Windows2000）下，串口是系统资源的一部分。应用程序要使用串口进行通信，必须在使用之前向操作系统提出资源申请要求（打开串口），通信完成后必须释放资源（关闭串口）。串口通信程序的流程如下图：二、串口信号线的接法 一个完整的 RS-232C 接口有 22 根线，采用标准的 25 芯插头座（或者 9 芯插头座）。25 芯和9
2、 芯的主要信号线相同。以下的介绍是以 25 芯的 RS-232C 为例。1、主要信号线定义：引脚 1：保护地；引脚 2：发送数据 TXD；引脚 3：接收数据 RXD；引脚 4：请求发送 RTS；引脚 5：清除发送 CTS；引脚 6：数据设备就绪 DSR；引脚 7：信号地；引脚 8：数据载波检测 DCD；引脚 20：数据终端就绪 DTR；2、电气特性：数据传输速率最大可到 20K bps,最大距离仅 15m。注：看了微软的 MSDN 6.0，其 Windows API 中关于串行通讯设备（不一定都是串口 RS-232C 或 RS-422 或 RS-449）速率的设置，最大可支持到 RS_2560
3、00，即 256K bps!也不知道到底是什么串行通讯设备？但不管怎样，一般主机和单片机的串口通讯大多都在 9600 bps,可以满足通讯需求。3、接口的典型应用：大多数计算机应用系统与智能单元之间只需使用 3 到 5 根信号线即可工作。这时，除了TXD、RXD 以外，还需使用 RTS、CTS、DCD、DTR、DSR 等信号线。（当然，在程序中也需要对相应的信号线进行设置。）图 最简单的 RS232-C 信号线接法 以上接法，在设计程序时，直接进行数据的接收和发送就可以了，不需要对信号线的状态进行判断或设置。（如果应用的场合需要使用握手信号等，需要对相应的信号线的状态进行监测或设置。）串口通讯
4、串口通讯的概念及接口电路 随着计算机系统的应用和微机网络的发展，通信功能越来越显的重要。这里所说的通信是只计算机与外界的信息交换。因此，通信既包括计算机与外部设备之间，也包括计算机和计算机之间的信息交换。由于串行通信是在一根传输线上一位一位的传送信息，所用的传输线少，并且可以借助现成的电话网进行信息传送，因此，特别适合于远距离传输。对于那些与计算机相距不远的人机交换设备和串行存储的外部设备如终端、打印机、逻辑分析仪、磁盘等，采用串行方式交换数据也很普遍。在实时控制和管理方面，采用多台微机处理机组成分级分布控制系统中，各 CPU 之间的通信一般都是串行方式。所以串行接口是微机应用系统常用的接口。
5、许多外设和计算机按串行方式进行通信，这里所说的串行方式，是指外设与接口电路之间的信息传送方式，实际上，CPU 与接口之间仍按并行方式工作。串行通信的概念 图 1-1 所谓“串行通信”是指外设和计算机间使用一根数据信号线(另外需要地线,可能还需要 控制线),数据在一根数据信号线上一位一位地进行传输，每一位数据都占据一个固定的时间长度。如图 1-1 所示。这种通信方式使用的数据线少，在远距离通信中可以节约通信成本，当然，其传输速度比并行传输慢。由于 CPU 与接口之间按并行方式传输，接口与外设之间按串行方式传输，因此，在串行接口中，必须要有“接收移位寄存器”（串并）和“发送移位寄存器”（并串）。典
6、型的串行接口的结构如 1-2 所示。图 1-2 在数据输入过程中，数据 1 位 1 位地从外设进入接口的“接收移位寄存器”，当“接收移位寄存器”中已接收完 1 个字符的各位后，数据就从“接收移位寄存器”进入“数据输入寄存器”。CPU 从“数据输入寄存器”中读取接收到的字符。（并行读取，即 D7D0 同时被读至累加器中）。“接收移位寄存器”的移位速度由“接收时钟”确定。在数据输出过程中，CPU 把要输出的字符（并行地）送入“数据输出寄存器”，“数据输出寄存器”的内容传输到“发送移位寄存器”，然后由“发送移位寄存器”移位，把数据1 位 1 位地送到外设。“发送移位寄存器”的移位速度由“发送时钟”确
7、定。接口中的“控制寄存器”用来容纳 CPU 送给此接口的各种控制信息，这些控制信息决定接口的工作方式。“状态寄存器”的各位称为“状态位”，每一个状态位都可以用来指示数据传输过程中的状态或某种错误。例如，用状态寄存器的 D5 位为“1”表示“数据输出寄存器”空，用D0 位表示“数据输入寄存器满”，用 D2 位表示“奇偶检验错”等。能够完成上述“串并”转换功能的电路，通常称为“通用异步收发器”（UART：Universal Asynchronous Receiver and Transmitter）,典型的芯片有：Intel 8250/8251,16550。串行通讯简单认识 串行通讯的基本概念：与
8、外界的信息交换称为通讯。基本的通讯方式有并行通讯和串行 通讯两种。一条信息的各位数据被同时传送的通讯方式称为并行通讯。并行通讯的特点是：各数据位同时传送，传送速度快、效率高，但有多少数据位就需多少根数据线，因此传送成本高，且只适用于近距离（相距数米）的通讯。一条信息的各位数据被逐位按顺序传送的通讯方式称为串行通讯。串行通讯的特点是：数据位传送，传按位顺序进行，最少只需一根传输线即可完成，成本低但送速度慢。串行通讯的距离可以从几米到几千米。根据信息的传送方向，串行通讯可以进一步分为单工、半双工和全双工三种。信息只能单向传送为单工；信息能双向传送但不能同时双向传送称为半双工；信息能够同时双向传送则
9、称为全双工。串行通讯又分为异步通讯和同步通讯两种方式。在单片机中，主要使用异步通讯方式。MCS_51 单片机有一个全双工串行口。全双工的串行通讯只需要一根输出线和一根输入线。数据的输出又称发送数据（TXD），数据的输入又称接收数据（RXD）。串行通讯中主要有两个技术问题，一个是数据传送、另一个是数据转换。数据传送主要解决传送中的标准、格式及工作方式等问题。数据转换是指数据的串并行转换。具体说，在发送端，要把并行数据转换为串行数据；而在接收端，却要把接收到的串行数据转换为并行数据。单工、半双工和全双工的定义 如果在通信过程的任意时刻，信息只能由一方 A 传到另一方 B，则称为单工。如果在任意时刻
10、，信息既可由 A 传到 B，又能由 B 传 A，但只能由一个方向上的传输存在，称为半双工传输。如果在任意时刻，线路上存在 A 到 B 和 B 到 A 的双向信号传输，则称为全双工。串口通讯全双工和半双工方式 在串行通信中，数据通常是在两个站（如终端和微机）之间进行传送，按照数据流的方向可分成三种基本的传送方式：全双工、半双工、和单工。但单工目前已很少采用，下面仅介绍前两种方式。全双工方式（full duplex）当数据的发送和接收分流，分别由两根不同的传输线传送时，通信双方都能在同一时刻进行发送和接收操作，这样的传送方式就是全双工制，如图 1 所示。在全双工方式下，通信系统的每一端都设置了发送
11、器和接收器，因此，能控制数据同时在两个方向上传送。全双工 方式无需进行方向的切换，因此，没有切换操作所产生的时间延迟，这对那些不能有时间延误的交互式应用（例如远程监测和控制系统）十分有利。这种方式要求通讯双方均有发送器和接收器，同时，需要 2 根数据线传送数据信号。（可能还需要控制线和状态线，以及地线）。图 1 比如，计算机主机用串行接口连接显示终端，而显示终端带有键盘。这样，一方面键盘上输入的字符送到主机内存；另一方面，主机内存的信息可以送到屏幕显示。通常，往键盘上打入 1 个字符以后，先不显示，计算机主机收到字符后，立即回送到终端，然后终端再把这个字符显示出来。这样，前一个字符的回送过程和
12、后一个字符的输入过程是同时进行的，即工作于全双工方式。半双式方式（half duplex）若使用同一根传输线既作接收又作发送，虽然数据可以在两个方向上传送，但通信双方不能同时收发数据，这样的传送方式就是半双工制，如图 2 所示。采用半双工方式时，通信系统每一端的发送器和接收器，通过收/发开关转接到通信线上，进行方向的切换，因此，会产生时间延迟。收/发开关实际上是由软件控制的电子开关。图 2 当计算机主机用串行接口连接显示终端时，在半双工方式中，输入过程和输出过程使用同一通路。有些计算机和显示终端之间采用半双工方式工作，这时，从键盘打入的字符在发送到主机的同时就被送到终端上显示出来，而不是用回送
13、的办法，所以避免了接收过程和发送过程同时进行的情况。目前多数终端和串行接口都为半双工方式提供了换向能力，也为全双工方式提供了两条独立的引脚。在实际使用时，一般并不需要通信双方同时既发送又接收，像打印机这类的单向传送设备，半双工甚至单工就能胜任，也无需倒向。串口通讯通信协议 所谓通信协议是指通信双方的一种约定。约定包括对数据格式、同步方式、传送速度、传送步骤、检纠错方式以及控制字符定义等问题做出统一规定，通信双方必须共同遵守。因此，也叫做通信控制规程，或称传输控制规程，它属于 ISOS OSI 七层参考模型中的数据链路层。目前，采用的通信协议有两类：异步协议和同步协议。同步协议又有面向字符和面向
14、比特以及面向字节计数三种。其中，面向字节计数的同步协议主要用于 DEC 公司的网络体系结构中。一、物理接口标准 1.串行通信接口的基本任务（1）实现数据格式化：因为来自 CPU 的是普通的并行数据，所以，接口电路应具有实现不同串行通信方式下的数据格式化的任务。在异步通信方式下，接口自动生成起止式的帧数据格式。在面向字符的同步方式下，接口要在待传送的数据块前加上同步字符。（2）进行串并转换：串行传送，数据是一位一位串行传送的，而计算机处理数据是并行数据。所以当数据由计算机送至数据发送器时，首先把串行数据转换为并行数才能送入计算机处理。因此串并转换是串行接口电路的重要任务。（3）控制数据传输速率：
15、串行通信接口电路应具有对数据传输速率波特率进行选择和控制的能力。（4）进行错误检测：在发送时接口电路对传送的字符数据自动生成奇偶校验位或其他校验码。在接收时，接口电路检查字符的奇偶校验或其他校验码，确定是否发生传送错误。（5）进行 TTL 与 EIA 电平转换：CPU 和终端均采用 TTL 电平及正逻辑，它们与 EIA 采用的电平及负逻辑不兼容，需在接口电路中进行转换。（6）提供 EIA-RS-232C 接口标准所要求的信号线：远距离通信采用 MODEM 时，需要 9根信号线；近距离零 MODEM 方式，只需要 3 根信号线。这些信号线由接口电路提供，以便与 MODEM 或终端进行联络与控制。
16、2、串行通信接口电路的组成 为了完成上述串行接口的任务，串行通信接口电路一般由可编程的串行接口芯片、波特率发生器、EIA 与 TTL 电平转换器以及地址译码电路组成。其中，串行接口芯片，随着大规模继承电路技术的发展，通用的同步(USRT)和异步（UART）接口芯片种类越来越多，如下表所示。它们的基本功能是类似的，都能实现上面提出的串行通信接口基本任务的大部分工作，且都是可编程的。才用这些芯片作为串行通信接口电路的核心芯片，会使电路结构比较简单。3.有关串行通信的物理标准 为使计算机、电话以及其他通信设备互相沟通，现在，已经对串行通信建立了几个一致的概念和标准，这些概念和标准属于三个方面：传输率
17、，电特性，信号名称和接口标准。1、传输率：所谓传输率就是指每秒传输多少位，传输率也常叫波特率。国际上规定了一个标准波特率系列，标准波特率也是最常用的波特率，标准波特率系列为 110、300、600、1200、4800、9600 和 19200。大多数 CRT 终端都能够按 110 到 9600 范围中的任何一种波特率工作。打印机由于机械速度比较慢而使传输波特率受到限制，所以，一般的串行打印机工作在 110波特率，点针式打印机由于其内部有较大的行缓冲区，所以可以按高达 2400 波特的速度接收打印信息。大多数接口的接收波特率和发送波特率可以分别设置，而且，可以通过编程来指定。2、RS-232-C
18、 标准：RS-232-C 标准对两个方面作了规定，即信号电平标准和控制信号线的定义。RS-232C采用负逻辑规定逻辑电平，信号电平与通常的TTL电平也不兼容，RS-232-C将-5V-15V 规定为“1”，+5V+15V 规定为“0”。图 1 是 TTL 标准和 RS-232-C 标准之间的电平转换。图 1 二、软件协议 1.OSI 协议和 TCP/IP 协议 图 2（1）OSI 协议 OSI 七层参考模型不是通讯标准，它只给出一个不会由于技术发展而必须修改的稳定模型，使有关标准和协议能在模型定义的范围内开发和相互配合。一般的通讯协议只符合 OSI 七层模型的某几层，如：EIA-RS-232-
19、C：实现了物理层。IBM的 SDLC（同步数据链路控制规程）：数据链路层。ANSI 的 ADCCP（先进数据通讯规程）：数据链路层 IBM 的 BSC（二进制同步通讯协议）：数据链路层。应用层的电子邮件协议 SMTP只负责寄信、POP3 只负责收信。（2）TCP/IP 协议 实现了五层协议。（1）物理层：对应 OSI 的物理层。（2）网络接口层：类似于 OSI 的数据链路层。（3）Internet 层：OSI 模型在 Internet 网使用前提出，未考虑网间连接。（4）传输层：对应 OSI 的传输层。（5）应用层：对应 OSI 的表示层和应用层。2.串行通信协议 串行通信协议分同步协议和异步
20、协议。（1）异步通信协议的实例起止式异步协议 图 3 特点与格式：起止式异步协议的特点是一个字符一个字符传输，并且传送一个字符总是以起始位开始，以停止位结束，字符之间没有固定的时间间隔要求。其格式如图 3 所示。每一个字符的前面都 有一位起始位（低电平，逻辑值 0），字符本身有 57 位数据位组成，接着字符后面是一位校验位（也可以没有校验位），最后是一位，或意味半，或二位停止位，停止位后面是不定长度的空闲位。停止位和空闲位都规定为高电平（逻辑值），这样就保证起始位开始处一定有一个下跳沿。从图中可以看出，这种格式是靠起始位和停止位来实现字符的界定或同步的，故称为起始式协议。传送时，数据的低位在前
21、，高位在后，图 4 表示了传送一个字符 E 的 ASCAII 码的波形 1010001。当把它的最低有效位写到右边时，就是 E 的 ASCII 码 1000101=45H。图 4 起止位的作用：起始位实际上是作为联络信号附加进来的，当它变为低电平时，告诉收方传送开始。它的到来，表示下面接着是数据位来了，要准备接收。而停止位标志一个字符的结束，它的出现，表示一个字符传送完毕。这样就为通信双方提供了何时开始收发，何时结束的标志。传送开始前，发收双方把所采用的起止式格式（包括字符的数据位长度，停止位位数，有无校验位以及是奇校验还是偶校验等）和数据传输速率作统一规定。传送开始后，接收设备不断地检测传输
22、线，看是否有起始位到来。当收到一系列的“1”（停止位或空闲位）之后，检测到一个下跳沿，说明起始位出现，起始位经确认后，就开始接收所规定的数据位和奇偶校验位以及停止位。经过处理将停止位去掉，把数据位拼装成一个并行字节，并且经校验后，无奇偶错才算正确的接收一个字符。一个字符接收完毕，接收设备有继续测试传输线，监视“0”电平的到来和下一个字符的开始，直到全部数据传送完毕。由上述工作过程可看到，异步通信是按字符传输的，每传输一个字符，就用起始位来通知收方，以此来重新核对收发双方同步。若接收设备和发送设备两者的时钟频率略有偏差，这也不会因偏差的累积而导致错位，加之字符之间的空闲位也为这种偏差提供一种缓冲
23、，所以异步串行通信的可靠性高。但由于要在每个字符的前后加上起始位和停止位这样一些附加位，使得传输效率变低了，只有约 80%。因此，起止协议一般用在数据速率较慢的场合（小于19.2kbit/s）。在高速传送时，一般要采用同步协议。（2）面向字符的同步协议 特点与格式：这种协议的典型代表是 IBM 公司的二进制同步通信协议(BSC）。它的特点是一次传送由若干个字符组成的数据块，而不是只传送一个字符，并规定了 10 个字符作为这个数据块的开头与结束标志以及整个传输过程的控制信息，它们也叫做通信控制字。由于被传送的数据块是由字符组成，故被称作面向字符的协议。特定字符（控制字符）的定义：由上面的格式可以
24、看出，数据块的前后都加了几个特定字符。SYN 是同步字符(synchronous Character），每一帧开始处都有 SYN，加一个 SYN 的称单同步，加两个 SYN 的称双同步设置同步字符是起联络作用,传送数据时,接收端不断检测,一旦出现同步字符,就知道是一帧开始了。接着的 SOH 是序始字符（Start Of Header），它表示标题的开始。标题中包括院地址、目的地址和路由指示等信息。STX 是文始字符(Start Of Text），它标志着传送的正文（数据块）开始。数据块就是被传送的正文内容，由多个字符组成。数据块后面是组终字符 ETB（End Of Transmission B
25、lock）或文终字符 ETX(End Of Text)，其中ETB 用在正文很长、需要分成若干个分数据块、分别在不同帧中发送的场合，这时在每个分数据块后面用文终字符 ETX。一帧的最后是校验码，它对从 SOH 开始到 ETX（或 ETB）字段进行校验，校验方式可以是纵横奇偶校验或 CRC。另外，在面向字符协议中还采用了一些其他通信控制字，它们的名称如下表所示：数据透明的实现：面向字符的同步协议，不象异步起止协议那样，需要在每个字符前后附加起始和停止位，因此，传输效率提高了。同时，由于采用了一些传输控制字，故增强了通信控制能力和校验功能。但也存在一些问题，例如，如何区别数据字符代码和特定字符代码
26、的问题，因为在数据块中完全有可能出现与特定字符代码相同的数据字符，这就会发生误解。比如正文有个与文终字符 ETX 的代码相同的数据字符，接收端就不会把它当作为普通数据处理，而误认为是正文结束，因而产生差错。因此，协议应具有将特定字符作为普通数据处理的能力，这种能力叫做“数据透明”。为此，协议中设置了转移字符 DLE(Data Link Escape)。当把一个特定字符看成数据时，在它前面要加一个 DLE，这样接收器收到一个 DLE 就可预知下一个字符是数据字符，而不会把它当作控制字符来处理了。DLE 本身也是特定字符，当它出现在数据块中时，也要在它前面加上另一个 DLE。这种方法叫字符填充。字
27、符填充实现起来相当麻烦，且依赖于字符的编码。正是由于以上的缺点，故又产生了新的面向比特的同步协议。（3）面向比特的同步协议 特点与格式：面向比特的协议中最具有代表性的是 IBM 的同步数据链路控制规程 SDLC（Synchronous Data Link Control),国际标准化组织 ISO(International Standard Organization）的高级数据链路控制规程 HDLC（High Level Data link Control),美国国家标准协会(Americal National Standard Institute)的先进数据通信规程 ADCCP(Advanc
28、ed Data Communication Control Procedure)。这些协议的特点是所传输的一帧数据可以是任意位，而且它是靠约定的位组合模式，而不是靠特定字符来标志帧的开始和结束，故称“面向比特”的协议。这中协议的一般帧格式如图 5 所示：图 5 帧信息的分段：由图 5 可见，SDLC/HDLC 的一帧信息包括以下几个场(Filed），所有场都是从有效位开始传送。（1）SDLC/HDLC 标志字符：SDLC/HDLC 协议规定，所有信息传输必须以一个标志字符开始，且以同一个字符结束。这个标志字符是 01111110，称标志场(F)。从开始标志到结束标志之间构成一个完整的信息单位，
29、称为一帧(Frame)。所有的信息是以帧的形传输的，而标志字符提供了每一帧的边界。接收端可以通过搜索“01111110”来探知帧的开头和结束，以此建立帧同步。（2）地址场和控制场：在标志场之后，可以有一个地址场 A(Address）和一个控制场C(Control)。地址场用来规定与之通信的次站的地址。控制场可规定若干个命令。SDLC 规 定 A 场和 C 场的宽度为 8 位或 16 位。接收方必须检查每个地址字节的第一位，如果为“0”，则后面跟着另一个地址字节；若为“1”，则该字节就是最后一个地址字节。同理，如果控制场第一个字节的第一位为为“0”，则还有第二个控制场字节，否则就只有一个字节。（
30、3）信息场：跟在控制场之后的是信息场 I(Information)。I 场包含有要传送的数据，并不是每一帧都必须有信息场。即数据场可以为 0，当它为 0 时，则这一帧主要是控制命令。（4）帧校验信息：紧跟在信息场之后的是两字节的争校验，帧校验场称为 FC(Frame Check)场或称为帧校验序列 FCS(Frame check Squence)。SDLC/HDLC 均采用 16 位循环冗余校验码CRC（Cyclic Redundancy Code)。除了标志场和自动插入的“0”以外，所有的信息都参加CRC 计算。实际应用时的两个技术问题：（1）“0”位插入/删除：如上所述，SDLC/HDLC
31、 协议规定以 01111110 为标志字节，但在信息场中也完全有可能有同一种模式的字符，为了把它与标志区分开来，所以采取了“0”位插入和删除技术。具体作法是发送端在发送所有信息（除标志字节外）时，只要遇到连续 5个“1”，就自动插入一个“0”，当接收端在接收数据时（除标志字节）如果连续收到 5 个“1”，就自动将其后的一个“0”删除是，以恢复信息的原有形式。这种“0”位的插入和删除过程是由硬件自动完成的。（2）SDLC/HDLC 异常结束：若在发送过程中出现错误，则 SDLC/HDLC 协议常用异常结束(Abort)字符，或称为失效序列使本帧作废。在 HDLC 规程中，7 个连续的“1”被作为
32、失效字符，而在 SDLC 中失效字符是 8 个连续的“1”。当然在试销序列中不使用“0”位插入/删除技术。SDLC/HDLC 协议规定，在一帧之内不允许出现数据间隔。在两帧之间，发送器可以连续输出标志字符序列，也可以输出连续的高电平，它被称为空闲（Idle）信号。几种串行通信接口标准 在数据通信、计算机网络以及分布式工业控制系统中，经常采用串行通信来交换数据和信息。1969 年，美国电子工业协会(EIA)公布了 RS-232C 作为串行通信接口的电气标准，该标准定义了数据终端设备(DTE)和数据通信设备(DCE)间按位串行传输的接口信息，合理安排了接口的电气信号和机械要求，在世界范围内得到了广
33、泛的应用。但它采用单端驱动非差分接收电路，因而存在着传输距离不太远(最大传输距离 15m)和传送速率不太高(最大位速率为 20Kb/s)的问题。远距离串行通信必须使用 Modem，增加了成本。在分布式控制系统和工业局部网络中，传输距离常介于近距离(20m)和远距离(2km)之间的情况，这时 RS-232C（25 脚连接器)不能采用，用 Modem 又不经济，因而需要制定新的串行通信接口标准。1977 年 EIA 制定了 RS-449。它除了保留与 RS-232C 兼容的特点外，还在提高传输速率，增加传输距离及改进电气特性等方面作了很大努力，并增加了 10 个控制信号。与 RS-449同时推出的还有 RS-422 和 RS-423，它们是 RS-449 的标准子集。另外，还有 RS-485，它是RS-422 的变形。RS-422、RS-423 是全双工的，而 RS-485 是半双工的。RS-
