第15章串行通信及接口电路

1A003 计算机组织与系统结构课程第15章来源：田浩然上传的资料 / 1A003 计算机组织与系统结构 / 第二部分 PowerPoint 97-2003 二进制格式，LibreOffice 转 PDF 后 pdftotext 全文提取约 2.6 万字符

一、串行通信基本概念

1.1 串行通信的特点

优点：数据在单条 1 位宽的传输线上按时间先后一位一位地传送，节省传输线（长距离优势明显）
缺点：数据传输率较低
适用场景：长距离、低速率的通信

1.2 常用术语

（1）数据传送方向 — 单工 / 半双工 / 全双工

类型	特点	结构
单工 (Simplex)	仅能进行一个方向的数据传送	设备A=发送器，设备B=接收器
半双工 (Half Duplex)	数据可以双向传送，但不能同时进行（双向不同时）	每端兼具发送/接收，分时切换
全双工 (Full Duplex)	能够在两个方向同时进行数据传送	两条独立传输通道，同时收发

（2）数据传输率

比特率：每秒传输的二进制位数，单位 bps (bit per second)
波特率：每秒传输的”符号”（信号码元 Signal Element）的个数，单位波特 (Baud)
比特率 vs 波特率的关系：
- 二进制中（高低两种电平 = 1 bit/符号），波特率 = 比特率
- 多进制调制中（如 QAM 相位+振幅复合调制），波特率 < 比特率
- 例：4 种相位 × 2 种振幅 = 8 种码元 = 3 bit/符号
标准波特率系列：50, 75, 110, 150, 300, 600, 1200, 2400, 4800, 9600, 19200, …

（3）调制解调器 (Modem)

电话网是模拟通信系统，传输数字信号必须经过调制解调
调制：用数字信号改变载波的幅值/频率/相位
解调：从载波中恢复出数字信号
三种基本调制方式：
- 调幅 (ASK)：载波幅度随数字信号变化（抗干扰差）
- 调频 (FSK)：载波频率随数字信号变化（抗干扰较好）
- 调相 (PSK)：载波相位随数字信号变化（抗干扰最好，频带利用率高）

（4）信道带宽与数据传输率的关系

奈奎斯特公式（无噪声理想信道）：C = 2H·log₂L (bps)
- H 为信道带宽 (Hz)，L 为码元离散值个数
香农公式（有噪声信道）：C = H·log₂(1 + S/N) (bps)
- S/N 为信噪比（常用分贝 dB = 10·lg(S/N) 表示）
- 信噪比越大，信道容量越大

1.3 串行通信的两种基本方式

（1）异步通信 (Asynchronous Communication)

特点：以字符为单位传送，字符之间的时间间隔不固定
帧格式：
- 起始位：1 位，低电平（标志一个字符开始）
- 数据位：5~8 位（通常 7 或 8 位），低位在前
- 校验位：1 位（奇校验/偶校验/无）
- 停止位：1、1.5 或 2 位，高电平（标志一个字符结束）
空闲位：线路空闲时保持高电平
优缺点：
- 优点：不需要同步时钟，设备简单，收发双方时钟独立
- 缺点：每个字符都有起始/停止位开销，传输效率低（约 80%）

（2）同步通信 (Synchronous Communication)

特点：以数据块（帧）为单位传送，字符之间无间隔
同步方式：
- 外同步：由外部提供同步时钟信号
- 内同步：在数据帧头部插入同步字符（SYN）
帧格式：
- 1~2 个同步字符 SYN → 数据块（连续字符）→ 校验字符（CRC 等）
优缺点：
- 优点：传输效率高（无字符间空隙和起始停止位）
- 缺点：需要同步时钟，硬件复杂，收发双方时钟必须严格同步

二、串行通信的差错控制

2.1 差错类型

随机错：由热噪声引起，单个比特出错
突发错：由脉冲噪声引起，连续多个比特出错

2.2 常用检错方法

（1）奇偶校验 (Parity Check)

奇校验：整个字符（数据位+校验位）中”1”的个数为奇数
偶校验：整个字符中”1”的个数为偶数
特点：简单，但只能检测奇数个比特错误，漏检率约 50%

（2）循环冗余校验 (CRC — Cyclic Redundancy Check)

基本原理：将数据块看成一个多项式，用生成多项式 G(x) 做模 2 除法，余数作为校验码
特点：检错能力强，能检测全部奇数个错和大部分突发错
常用生成多项式：
- CRC-12：x¹² + x¹¹ + x³ + x² + x + 1
- CRC-16：x¹⁶ + x¹⁵ + x² + 1（IBM/CCITT）
- CRC-CCITT：x¹⁶ + x¹² + x⁵ + 1
- CRC-32：x³² + x²⁶ + x²³ + x²² + x¹⁶ + x¹² + x¹¹ + x¹⁰ + x⁸ + x⁷ + x⁵ + x⁴ + x² + x + 1（以太网用）

2.3 纠错方法

自动重发请求 (ARQ)：检出错误后请求发送方重发
前向纠错 (FEC)：接收端不仅能检错还能纠正错误（如海明码）
混合纠错：少量错自行纠正，超出能力则请求重发

三、串行接口的基本功能

一个典型的串行接口应具备以下功能：

串-并转换：发送时并行→串行；接收时串行→并行
格式化：异步/同步帧格式装配与拆解
差错控制：奇偶校验/CRC 校验的产生与检测
速率控制：波特率发生器，可选多种波特率
联络信号：提供 Modem 控制信号（DTR/DSR/RTS/CTS 等）
缓冲：发送/接收数据缓冲寄存器，解决速度匹配
中断/DMA 支持：提高 CPU 效率
状态寄存器：反映接口工作状态（发送空、接收满、各种错误等）

四、可编程串行通信接口 8251A

4.1 8251A 概述

Intel 8251A：通用同步/异步接收发送器 (USART — Universal Synchronous/Asynchronous Receiver/Transmitter)
支持同步和异步两种工作方式
同步：5~~8 位数据，内同步/外同步，波特率 0~~64K
异步：5~~8 位数据，1/1.5/2 位停止位，波特率 0~~19.2K
全双工，双缓冲（发送/接收各有缓冲）
三种错误检测：奇偶错、溢出错、帧格式错
提供 Modem 控制信号，可直接连接 Modem

4.2 8251A 内部结构

五大组成部分：

发送器
- 发送缓冲寄存器（并行输入）
- 发送移位寄存器（串行输出 → TxD）
- 发送控制电路
- 输出信号：TXRDY（发送准备好）、TXE（发送缓冲器空）、TxC（发送时钟）
接收器
- 接收移位寄存器（串行输入 ← RxD）
- 接收缓冲寄存器（并行输出）
- 接收控制电路
- 输出信号：RXRDY（接收准备好）、RxC（接收时钟）、SYNDET（同步检测）
数据总线缓冲器
- 8 位双向三态缓冲器
- 连接系统数据总线 D₀~D₇
- 含：数据输入缓冲、数据输出缓冲、控制字/状态字缓冲
读/写控制逻辑
- 接收 CPU 的控制信号，决定操作类型
- 控制信号：
  - CS：片选
  - C/D：控制/数据选择（C/D=1 读写控制字/状态字；C/D=0 读写数据）
  - RD、WR：读/写控制
  - RESET：复位（回到方式字等待状态）
  - CLK：主时钟（8251A 工作时钟）
Modem 控制逻辑
- 提供与 Modem 的联络信号
- DTR：数据终端准备好（输出，低有效）
- DSR：数据装置准备好（输入，低有效）
- RTS：请求发送（输出，低有效）
- CTS：清除发送（输入，低有效）

4.3 8251A 外部引脚

28 脚 DIP 封装，分五大类：

类别	信号	方向	说明
数据总线	D₀~D₇	双向	8 位数据总线，连系统数据总线
读/写控制	CS	输入	片选，低有效
	C/D	输入	控制/数据选择（=1 控制；=0 数据）
	RD	输入	读信号，低有效
	WR	输入	写信号，低有效
	CLK	输入	主时钟（同步时>30×波特率，异步时>4.5×）
	RESET	输入	复位，高有效
发送器	TxD	输出	串行数据发送端
	TXRDY	输出	发送器准备好（缓冲器空）
	TXE	输出	发送器空（移位寄存器也空）
	TxC	输入	发送时钟（下降沿发送数据）
接收器	RxD	输入	串行数据接收端
	RXRDY	输出	接收器准备好（已有数据可读）
	RxC	输入	接收时钟（上升沿采样数据）
	SYNDET/BRKDET	双向	同步检测/断点检测
Modem 控制	DTR	输出	数据终端准备好，低有效
	DSR	输入	数据装置准备好，低有效
	RTS	输出	请求发送，低有效
	CTS	输入	清除发送，低有效

4.4 8251A 的控制字

8251A 有两个控制字寄存器，共用一个端口地址：

（1）方式指令字（模式字）

决定 8251A 的工作方式，复位后写入的第一个字就是方式字。

D₇	D₆	D₅	D₄	D₃	D₂	D₁	D₀
异步:停止位 / 同步:同步字符数	奇偶校验	字符长度	波特率因子

D₁D₀（波特率因子 / 同步选择）：
- 00 = 同步方式
- 01 = 异步，×1（时钟=波特率）
- 10 = 异步，×16（时钟=16×波特率）
- 11 = 异步，×64（时钟=64×波特率）
D₃D₂（字符长度）：00=5位, 01=6位, 10=7位, 11=8位
D₄（奇偶校验允许）：1=允许，0=禁止
D₅（奇偶类型）：D₄=1 时有效，1=偶校验，0=奇校验
D₇D₆（异步：停止位数）：
- 00 = 无效
- 01 = 1 位停止位
- 10 = 1.5 位停止位
- 11 = 2 位停止位
D₇D₆（同步：同步字符数）：
- D₀=00（同步）时：D₆=1 单同步, D₆=0 双同步；D₇=1 外同步, D₇=0 内同步

例：0111 1011B = 7BH → 异步，×16，8位数据，偶校验，2位停止位例：0100 1110B = 4EH → 异步，×16，8位数据，偶校验，1位停止位

（2）命令指令字（控制字）

方式字写入后，后续写入的就是命令字。

D₇	D₆	D₅	D₄	D₃	D₂	D₁	D₀
EH	IR	RTS	ER	SBRK	RxE	DTR	TxEN

D₀ (TxEN)：发送允许，1=允许发送
D₁ (DTR)：数据终端准备好，1=使 DTR 输出有效（低电平）
D₂ (RxE)：接收允许，1=允许接收
D₃ (SBRK)：发终止字符，1=发送连续低电平（BREAK）
D₄ (ER)：错误标志复位，1=清除 PE/OE/FE 三个错误标志
D₅ (RTS)：请求发送，1=使 RTS 输出有效（低电平）
D₆ (IR)：内部复位，1=使 8251A 复位，回到等待方式字状态
D₇ (EH)：进入搜索模式（同步方式用），1=启动搜索同步字符

例：0011 0111B = 37H → 发送允许，接收允许，错误复位，RTS 请求，DTR 有效

（3）状态字

从控制口（C/D=1）读出的是状态字。

D₇	D₆	D₅	D₄	D₃	D₂	D₁	D₀
DSR	SYNDET	FE	OE	PE	TXE	RXRDY	TXRDY

D₀ (TXRDY)：发送器准备好（=1 可发送数据）
D₁ (RXRDY)：接收器准备好（=1 有数据可读取）
D₂ (TXE)：发送器空（移位寄存器也空）
D₃ (PE)：奇偶校验错（Parity Error）
D₄ (OE)：溢出错（Overrun Error，前一字节未取走又收到新字节）
D₅ (FE)：帧格式错（Framing Error，异步方式无有效停止位）
D₆ (SYNDET)：同步检测
D₇ (DSR)：数据装置准备好（=1 表示 Modem 已就绪）

4.5 8251A 的初始化流程

关键：方式字和命令字共用一个写入端口，通过写入顺序区分。

复位（硬件复位或命令字 D6=1 内部复位）
        ↓
   写入方式指令字（决定工作方式）
        ↓
┌→ 写入命令指令字（控制操作）
│       ↓
│   数据收发操作
│       ↓
└── 需要改变方式吗？
    是 → 发内部复位命令（D6=1）→ 回到方式字状态
    否 → 继续操作

关于”先写 3 次 0”的初始化技巧：

8251A 上电后可能处于不确定状态（方式字/同步字符/命令字都有可能）
为保证正确初始化，先连续写 3 次 00H（C/D=1），再发内部复位命令 40H
原理：3 次 00H 会配置成同步方式 + 写入 2 个假同步字符，确保设备处于命令字状态
然后发 40H 内部复位，再正常初始化方式字和命令字

; 8251A 安全初始化示例
MOV  DX, 控制端口
MOV  AL, 0
OUT  DX, AL      ; 第1次 0
OUT  DX, AL      ; 第2次 0
OUT  DX, AL      ; 第3次 0
MOV  AL, 40H     ; 内部复位命令
OUT  DX, AL
MOV  AL, 4EH     ; 方式字：异步×16，8数据，偶校验，1停止位
OUT  DX, AL
MOV  AL, 27H     ; 命令字：发送/接收允许，错误复位，RTS，DTR
OUT  DX, AL

4.6 8251A 应用编程

（1）查询式发送程序

; 假设已初始化
MOV  SI, 发送数据块首地址
MOV  CX, 发送字节数
NEXT:
    MOV  DX, 8251A_控制口
    IN   AL, DX          ; 读状态字
    TEST AL, 01H         ; 查 TXRDY (D0)
    JZ   NEXT            ; 未准备好，等待
    MOV  DX, 8251A_数据口
    MOV  AL, [SI]        ; 取数据
    OUT  DX, AL          ; 发送
    INC  SI
    LOOP NEXT
    HLT

（2）查询式接收程序

MOV  DI, 接收数据块首地址
MOV  CX, 接收字节数
L1:
    MOV  DX, 8251A_控制口
    IN   AL, DX          ; 读状态字
    TEST AL, 02H         ; 查 RXRDY (D1)
    JZ   L1              ; 未收到，等待
    TEST AL, 08H         ; 查奇偶错 PE (D3)
    JNZ  ERR             ; 有错转错误处理
    MOV  DX, 8251A_数据口
    IN   AL, DX          ; 读数据
    MOV  [DI], AL        ; 存数据
    INC  DI
    LOOP L1
    HLT

五、RS-232C 串行接口标准

5.1 概述

RS-232C：美国电子工业协会 (EIA) 制定的串行接口标准
全称：Recommended Standard 232, Revision C
用于数据终端设备 (DTE) 与 数据通信设备 (DCE) 之间的接口
物理接口：DB-25（25 针）或 DB-9（9 针）连接器

5.2 电气特性

采用负逻辑电平：
- 逻辑 “0”（SPACE）：+3V ~ +15V（典型 +12V）
- 逻辑 “1”（MARK）：-3V ~ -15V（典型 -12V）
- -3V ~ +3V 为过渡区，无定义
阻抗：负载 3kΩ ~ 7kΩ
速率：≤ 20kbps
距离：≤ 15m（速率越高距离越短）

5.3 常用引脚信号（9 针简化版）

引脚	缩写	名称	方向 (DTE→DCE)	说明
1	CD	载波检测	输入	DCE 检测到载波
2	RxD	接收数据	输入	串行数据输入
3	TxD	发送数据	输出	串行数据输出
4	DTR	数据终端准备好	输出	DTE 已就绪
5	GND	信号地	—	公共地
6	DSR	数据装置准备好	输入	DCE 已就绪
7	RTS	请求发送	输出	DTE 请求发送数据
8	CTS	清除发送	输入	DCE 允许发送
9	RI	振铃指示	输入	DCE 检测到振铃

5.4 电平转换

8251A 等芯片输出的是 TTL 电平（0V/5V）
RS-232C 是 ±12V 电平
需要电平转换芯片：
- MC1488 / SN75150：TTL → RS-232C（发送器，需 ±12V 电源）
- MC1489 / SN75154：RS-232C → TTL（接收器，+5V 电源）
- MAX232：单 +5V 供电，内部有电荷泵产生 ±10V，收发各 2 路（最常用）

六、章节关联与知识网络

与前后章的关系

前置知识：
- 第5章计算机组成 → 系统总线与I/O基本概念
- 第10章微处理器外部特性 → 总线接口、中断、DMA
- 第11章 I/O接口 → I/O控制方式、程序查询/中断/DMA
- 第14章并行通信 → 8255A 并行接口基础、可编程接口的一般结构
后续章节：
- 第18章总线技术 → 更高层次的通信与互连
- 8237 DMA 控制器 → 串行接口的 DMA 工作方式

关键概念对比

对比项	并行通信	串行通信
传输方式	多位同时传送	一位一位分时传送
传输线数	N 根数据线 + 控制线	1 根数据线 + 控制线
速率	高（短距离内）	低
成本	高（线缆多）	低（线缆少）
适用距离	短（通常 < 几米）	长（可达几公里）
典型芯片	8255A	8251A
典型标准	打印机并口（Centronics）	RS-232C / USB / 以太网

七、重点考点速查

异步通信帧格式：起始位(1) + 数据位(5-8) + 校验位(0/1) + 停止位(1/1.5/2)
波特率因子：异步方式下时钟频率与波特率的比值（×1/×16/×64）
8251A 两大控制字：方式字（复位后第一个）+ 命令字（后续写入），地址相同靠顺序区分
8251A 三种错误：PE 奇偶错、OE 溢出错、FE 帧格式错（命令字 D4=ER 复位）
8251A 初始化安全步骤：先写 3 次 00H → 40H 内部复位 → 方式字 → 命令字
状态字 vs 命令字：状态字从 C/D=1 读出；命令字向 C/D=1 写入
RS-232C 电平：负逻辑，+3~+15V = 0，-3~-15V = 1；MAX232 单 5V 电平转换
全双工 vs 半双工：全双工同时双向（两条物理通道）；半双工双向不同时（分时切换）
同步 vs 异步：同步以数据块为单位、效率高、需同步；异步以字符为单位、效率低、不需同步
TXRDY vs TXE：TXRDY = 发送缓冲器空（可写新数据）；TXE = 移位寄存器也空（全部发完）

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串行通信及接口电路-第15章-计算机组织与系统结构

第15章 串行通信及接口电路

一、串行通信基本概念

1.1 串行通信的特点

1.2 常用术语

（1）数据传送方向 — 单工 / 半双工 / 全双工

（2）数据传输率

（3）调制解调器 (Modem)

（4）信道带宽与数据传输率的关系

1.3 串行通信的两种基本方式

（1）异步通信 (Asynchronous Communication)

（2）同步通信 (Synchronous Communication)

二、串行通信的差错控制

2.1 差错类型

2.2 常用检错方法

（1）奇偶校验 (Parity Check)

（2）循环冗余校验 (CRC — Cyclic Redundancy Check)

2.3 纠错方法

三、串行接口的基本功能

四、可编程串行通信接口 8251A

4.1 8251A 概述

4.2 8251A 内部结构

4.3 8251A 外部引脚

4.4 8251A 的控制字

（1）方式指令字（模式字）

（2）命令指令字（控制字）

（3）状态字

4.5 8251A 的初始化流程

4.6 8251A 应用编程

（1）查询式发送程序

（2）查询式接收程序

五、RS-232C 串行接口标准

5.1 概述

5.2 电气特性

5.3 常用引脚信号（9 针简化版）

5.4 电平转换

六、章节关联与知识网络

与前后章的关系

关键概念对比

七、重点考点速查

关联笔记

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