第15章串行通信及接口电路

课程：1A003 计算机组织与系统结构（第二部分）教材：北京大学计算机组织与系统结构课程文件类型：PowerPoint 97-2003 二进制格式

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
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) 数据通信方向性结构

模式	特点
单工（Simplex）	仅能进行一个方向的数据传送
半双工（Half Duplex）	数据可以在两个方向上传送，但不能同时进行（双向不同时）
全双工（Full Duplex）	能够在两个方向同时进行数据传送

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
比特率 vs 波特率：
- 二进制传输时（高低两种电平），每个符号信息量为 1 比特，波特率 = 比特率
- 采用复合调制技术时（如相位+振幅），一个符号含多个比特，波特率 ≠ 比特率
- 例：4 种相位 × 2 种振幅 = 8 种码元 → 每符号 3 位
标准波特率系列：50, 75, 110, 150, 300, 600, 1200, …

3) 调制解调器（Modem）

电话网是模拟通信系统，传输数字信号需经过调制/解调
调制：用数字信号改变载波的幅值、频率或相位
三种调制方式：
- 调幅（ASK）：改变载波幅度
- 调频（FSK）：改变载波频率
- 调相（PSK）：改变载波相位

4) 发送时钟和接收时钟

主时钟 CLK 经分频后产生发送/接收移位脉冲
接收端：RxD → 输入移位寄存器 → 数据输入寄存器
发送端：数据输出寄存器 → 输出移位寄存器 → TxD
分频系数：÷1, ÷16, ÷32 等

5) 波特率因子

时钟频率 F = 波特率因子 × 波特率

给定时钟频率，选择不同的波特率因子可得到不同的波特率
例：f = 19.2 kHz，波特率因子 = 16，则波特率 = 1200 bps
8253 分频系数计算：计数初值 = 时钟频率 /（波特率 × 波特率因子）
- 例：外部时钟 1 MHz，要得到 19.2 kHz → 分频系数 N = 1,000,000 / 19,200 ≈ 52

6) 异步方式与同步方式

异步方式（Asynchronous，起止同步式）：

数据格式：起始位(1位低电平) + 5-8位数据位 + 奇偶校验位 + 1/1.5/2位停止位(高电平)
每个字符独立，字符间为空闲位（高电平）
靠起始位和停止位实现字符同步
协议开销较大，效率较低

同步方式（Synchronous）：

数据格式：同步字符(SYN) + 数据块
收发双方使用同一时钟，字符连续传送无间隙
效率高，适合大数据量传输
SDLC/HDLC 帧格式：标志(01111110, 8位) + 地址(8位) + 控制(8位) + 数据场 + CRC(16位) + 标志(01111110)
效率计算：2048 位数据，协议开销 48 位 → 效率 = 2048/(2048+48) = 97%
通用公式：协议开销 = 1 - N/(N+48)

二、可编程串行通信接口 8251A

Intel 8251A 是 USART（Universal Synchronous Asynchronous Receiver/Transmitter，通用同步/异步收发器），专为 Intel 微处理器设计。

2.1 基本性能

特性	说明
工作模式	同步 + 异步传送
同步传送	5~8位/字符，内部或外部字符同步，自动插入同步字符
异步传送	5~8位/字符，时钟倍率 1/16/64 倍波特率
异步特色	中止字符(Break)生成，1/1.5/2 位停止位，假起始位检测，自动中止检测处理
波特率范围	异步：DC~~19.2K；同步：DC~~64K
工作方式	全双工、双缓冲发送和接收
差错检测	奇偶错(PE)、溢出错(OE)、帧格式错(FE)
封装	28 脚 DIP
电气兼容	全部输入输出 TTL 兼容，单一 +5V 电源

2.2 结构与引脚

五大组成部分

接收器：串-并转换、接收缓冲、接收控制
发送器：并-串转换、发送缓冲、发送控制
数据总线缓冲器：与 CPU 数据总线接口
调制解调器控制电路：DTR/DSR/RTS/CTS 四根联络线
读写控制逻辑电路：接收 CPU 的读写控制信号

与 CPU 接口信号

D7~D0：8 位双向数据线
RESET：复位信号
CS：片选信号
C/D：控制/数据选择（1=控制/状态，0=数据）
RD/WR：读/写信号
TXRDY：发送器准备好（中断/查询）
RXRDY：接收器准备好（中断/查询）
TXEMPTY：发送器空
SYNDET/BRKDET：同步检测/中止检测（双向）
CLK：主时钟

读写控制真值表：

C/D	RD	WR	操作
0	0	1	CPU 从 8251A 读数据
0	1	0	CPU 往 8251A 写数据
1	0	1	CPU 从 8251A 读状态
1	1	0	CPU 往 8251A 写控制命令

与外设接口信号

RXC：接收器时钟
TXC：发送器时钟
RXD：串行数据输入
TXD：串行数据输出
DTR：数据终端就绪（输出，低有效）
DSR：数据装置就绪（输入，低有效）
RTS：请求发送（输出，低有效）
CTS：允许发送（输入，低有效）

2.3 编程（控制字与状态字）

1) 方式指令字（Mode Instruction）

复位后首先写入，定义工作方式（8 位）：

D7 D6 D5 D4 D3 D2 D1 D0
S2 S1 EP PEN L2 L1 B2 B1

B2B1（D1D0）：波特率因子
- 00 = 同步方式
- 01 = 异步 ×1
- 10 = 异步 ×16
- 11 = 异步 ×64
L2L1（D3D2）：字符长度
- 00=5位, 01=6位, 10=7位, 11=8位
PEN（D4）：奇偶校验允许（1=允许, 0=禁止）
EP（D5）：偶校验选择（1=偶校验, 0=奇校验）
S2S1（D7D6）：
- 异步时：停止位数量（01=1位, 10=1.5位, 11=2位, 00=无效）
- 同步时：同步字符数+同步方式
  - 00=2个同步字符+内同步
  - 01=2个同步字符+外同步
  - 10=1个同步字符+内同步
  - 11=1个同步字符+外同步

2) 命令指令字（Command Instruction）

方式字之后写入，控制实际操作（8 位）：

D7 D6 D5 D4 D3 D2 D1 D0
EH IR RTS ER SBRK RXE DTR TXEN

TXEN（D0）：允许发送（1=允许）
DTR（D1）：数据终端准备好（1=DTR输出有效）
RXE（D2）：允许接收（1=允许）
SBRK（D3）：发送中止字符（1=中止, 0=正常）
ER（D4）：清除错误标志（1=复位PE/OE/FE）
RTS（D5）：请求发送（1=RTS输出有效）
IR（D6）：内部复位（1=使8251A复位，回到方式字状态）
EH（D7）：进入搜索同步字符方式（同步方式用，1=允许搜索）

3) 状态字（Status Word）

CPU 可读状态字查询工作状态（8 位）：

D7  D6          D5  D4 D3 D2       D1    D0
DSR SYNDET/    FE  OE PE TXEMPTY RXRDY TXRDY
    BRKDET

TXRDY（D0）：发送缓冲器空（状态位只反映缓冲器，引脚还需 CTS=0 和 TXEN=1）
RXRDY（D1）：接收器准备好
TXEMPTY（D2）：发送器空
PE（D3）：奇偶校验错
OE（D4）：溢出错（超越错）
FE（D5）：帧格式错
SYNDET/BRKDET（D6）：同步/中止检测
DSR（D7）：数据装置就绪

注意：TXRDY 状态位 vs TXRDY 输出引脚

状态位为 1：仅反映发送缓冲器已空

引脚为 1：发送缓冲器空且 CTS=0 且 TXEN=1

状态位用于 CPU 查询，引脚用于中断请求

2.4 初始化流程

RESET
  ↓
输出方式指令字
  ↓
异步? ──N──→ 输出第一个同步字符
  │Y              ↓
  ↓            单同步? ──N──→ 输出第二个同步字符
输出命令指令字        ↓Y
  ↓              输出命令指令字
有复位命令? ←──────────┐
  │Y                    │
  ↓                    ↓
回到方式字状态       传送数据
                    ↓
                  数据完否?

关键规则：

初始化必须在复位后先写方式指令字
异步方式：方式字 → 命令字 → 数据传送
同步方式：方式字 → 同步字符(1或2个) → 命令字 → 数据传送
传送过程中可随时写命令字或读状态字
使用 IR=1 的内部复位命令可回到方式字状态，重新编程

2.5 编程举例

例1：异步方式初始化

设定：异步方式，波特率因子 64，7 位数据，偶校验，2 位停止位

方式字 = 1111 1011B = FBH
命令字 = 0001 0111B = 17H（发送允许+接收允许+错误复位+DTR有效）

MOV  AL, 0FBH   ; 方式指令字
OUT  51H, AL    ; 写入控制端口
MOV  AL, 17H    ; 命令指令字
OUT  51H, AL    ; 写入控制端口

例2：同步方式初始化

设定：同步方式，双同步字符，同步字符 16H，内同步，偶校验，7 位数据

方式字 = 0011 1000B = 38H
命令字 = 1001 0111B = 97H（发送允许+接收允许+错误复位+搜索同步+DTR有效）

MOV  AL, 38H   ; 方式指令字
OUT  51H, AL
MOV  AL, 16H   ; 同步字符 1
OUT  51H, AL
OUT  51H, AL   ; 同步字符 2（双同步）
MOV  AL, 97H   ; 命令指令字
OUT  51H, AL

2.6 应用：双机串行通信

近距离（<15米）双机通信方案：

不用 Modem，直接 RS-232C 相连
双方均为 DTE，需加电平转换电路（EIA ↔ TTL）
可不用四根联络信号，CTS 接地即可
支持半双工或全双工
CPU 与接口之间可用查询或中断方式

发送端程序（查询方式、半双工、异步）：

START: MOV  DX, 8251A_CTRL
       MOV  AL, 7AH      ; 异步，7位数据，1停止位，偶校验，×16
       OUT  DX, AL
       MOV  AL, 11H      ; 发送允许，错误复位
       OUT  DX, AL
       MOV  SI, OFFSET SEND_BUF
       MOV  CX, SEND_LEN
NEXT:  MOV  DX, 8251A_CTRL
       IN   AL, DX       ; 读状态字
       TEST AL, 01H      ; TXRDY?
       JZ   NEXT
       MOV  DX, 8251A_DATA
       MOV  AL, [SI]
       OUT  DX, AL       ; 发送一字节
       INC  SI
       LOOP NEXT
       HLT

接收端程序：

BEGIN: MOV  DX, 8251A_CTRL
       MOV  AL, 7AH      ; 同发送端方式字
       OUT  DX, AL
       MOV  AL, 14H      ; 接收允许
       OUT  DX, AL
       MOV  DI, OFFSET RECV_BUF
       MOV  CX, RECV_LEN
L1:    MOV  DX, 8251A_CTRL
       IN   AL, DX       ; 读状态字
       TEST AL, 02H      ; RXRDY?
       JZ   L1
       TEST AL, 08H      ; 奇偶校验错?
       JNZ  ERR          ; 有错转出错
       MOV  DX, 8251A_DATA
       IN   AL, DX       ; 接收一字节
       MOV  [DI], AL
       INC  DI
       LOOP L1
       HLT

2.7 初始化的特殊问题：先写 3 次”0”

上电时 8251A 可能处于任意状态（方式字/同步字符/命令字）。为确保在发复位命令前处于命令字格式，需执行最坏情况初始化序列：

MOV  DX, CTRL_PORT
MOV  AL, 0
OUT  DX, AL    ; 第1次写0
OUT  DX, AL    ; 第2次写0（第1个同步字符）
OUT  DX, AL    ; 第3次写0（第2个同步字符→进入命令字状态）
 
MOV  AL, 40H   ; 内部复位命令
OUT  DX, AL    ; 复位，回到方式字状态
 
MOV  AL, 4EH   ; 方式指令字
OUT  DX, AL
MOV  AL, 27H   ; 命令指令字
OUT  DX, AL

原理：连续写 3 个 00H → 配置为同步方式并写入两个空同步字符 → 此时已处于命令字格式 → 写 40H（内部复位命令）确保可靠复位。

三、与相关知识的关联

与中断系统-第13章-计算机组织与系统结构：串行通信常结合中断方式实现高效数据收发
与可编程并行接口8255A-第14章-计算机组织与系统结构：8255A 并行 vs 8251A 串行，两种接口设计思路对比
与《深入理解计算机系统》CSAPP 中网络/通信章节：物理层串行传输是网络通信的基础
与 FPGA 设计中 UART IP 核：现代数字设计中 8251A 的功能已被 Verilog/VHDL 实现的 UART 核替代，但原理一致

知识库

探索

串行通信及接口-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) 数据通信方向性结构

2) 数据传输率

3) 调制解调器（Modem）

4) 发送时钟和接收时钟

5) 波特率因子

6) 异步方式与同步方式

二、可编程串行通信接口 8251A

2.1 基本性能

2.2 结构与引脚

五大组成部分

与 CPU 接口信号

与外设接口信号

2.3 编程（控制字与状态字）

1) 方式指令字（Mode Instruction）

2) 命令指令字（Command Instruction）

3) 状态字（Status Word）

2.4 初始化流程

2.5 编程举例

例1：异步方式初始化

例2：同步方式初始化

2.6 应用：双机串行通信

2.7 初始化的特殊问题：先写 3 次”0”

三、与相关知识的关联

关系图谱

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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) 数据通信方向性结构

2) 数据传输率

3) 调制解调器（Modem）

4) 发送时钟和接收时钟

5) 波特率因子

6) 异步方式与同步方式

二、可编程串行通信接口 8251A

2.1 基本性能

2.2 结构与引脚

五大组成部分

与 CPU 接口信号

与外设接口信号

2.3 编程（控制字与状态字）

1) 方式指令字（Mode Instruction）

2) 命令指令字（Command Instruction）

3) 状态字（Status Word）

2.4 初始化流程

2.5 编程举例

例1：异步方式初始化

例2：同步方式初始化

2.6 应用：双机串行通信

2.7 初始化的特殊问题：先写 3 次”0”

三、与相关知识的关联

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