第八章串行通信接口

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1、第八章第八章 串行通信接口串行通信接口 并行通信虽然同时可传送多位数据，但如果用并行通信虽然同时可传送多位数据，但如果用于长距离传输就必然需要大量的通信线路和中于长距离传输就必然需要大量的通信线路和中继设备等，而且在技术上也非常困难。因此，继设备等，而且在技术上也非常困难。因此，并行通信不适宜于长距离的通信并行通信不适宜于长距离的通信(如计算机网如计算机网络络)。在在长距离长距离的通信中，往往使用串行通信。的通信中，往往使用串行通信。串行串行通信通信就是指用串行传输的方式来完成的通信。就是指用串行传输的方式来完成的通信。串行传输是在串行传输是在一条通信线路一条通信线路上把要传输的数据上把要传输

2、的数据以二进制位以二进制位一位一位地顺序地发送一位一位地顺序地发送到接收端，到接收端，由由接收端再组装接收端再组装成相应的数据。成相应的数据。串行通信是现串行通信是现代通信网和计算机网的基础代通信网和计算机网的基础。现在，串行通信。现在，串行通信也大量应用于计算机与周边设备之间的通信。也大量应用于计算机与周边设备之间的通信。8.1 串行通信基础串行通信基础 通信指计算机与外部设备或者其他计算机之间通信指计算机与外部设备或者其他计算机之间的通信。串行通信所需的信号线较少，并且可的通信。串行通信所需的信号线较少，并且可以利用现有的电话网传送信息，特别适合于以利用现有的电话网传送信息，特别适合于远远

3、距离距离传送。传送。对于计算机与对于计算机与距离较近距离较近的外部设备之间的通信的外部设备之间的通信也常常使用串行方式。也常常使用串行方式。和并行通信相比，串行通信有以下一些特点。和并行通信相比，串行通信有以下一些特点。1.在进行串行传输之前必须将并行数据转换成串行数在进行串行传输之前必须将并行数据转换成串行数据流；在接收端又要将收到的串行数据流转换成并行据流；在接收端又要将收到的串行数据流转换成并行数据。即数据。即并并-串转换串转换和和串串-并转换并转换。这种转换通常是以。这种转换通常是以字节为单位进行的。字节为单位进行的。2.传输的二进制位流中必须包含传输的二进制位流中必须包含数据流数据流

4、和和控制流控制流。控。控制流用于接收端控制数据的组装、识别数据的真伪。制流用于接收端控制数据的组装、识别数据的真伪。3.通信的双方约定串行通信的通信的双方约定串行通信的数据格式数据格式。这种约定就。这种约定就是是串行通信协议串行通信协议。4.串行通信中常常需要进行逻辑关系和逻辑电平的转串行通信中常常需要进行逻辑关系和逻辑电平的转换。换。5.串行通信中的物理传输手段各不相同。串行通信中的物理传输手段各不相同。6.串行通信用于计算机与其周边设备间的信息交换时，串行通信用于计算机与其周边设备间的信息交换时，连接线路简单。连接线路简单。本节将介绍串行通信的基本概念、主要几种串本节将介绍串行通信的基本概

5、念、主要几种串行通信协议的数据格式以及主要的串行通信接行通信协议的数据格式以及主要的串行通信接口标准。口标准。8.1.1 串行通信中的基本概念串行通信中的基本概念 1.串行数据传送方向串行数据传送方向 在串行通信中，数据通常是在两个点在串行通信中，数据通常是在两个点(如终端如终端和微机、微机和微机和微机、微机和微机)之间进行传送，按照数之间进行传送，按照数据流的方向可分成据流的方向可分成3种基本的传送方式：单工、种基本的传送方式：单工、半双工和全双工。半双工和全双工。(1)单工单工。在通信双方的一方只发送数据，而另一方只接在通信双方的一方只发送数据，而另一方只接收数据，这样在它们之间的传输线上

6、数据就只收数据，这样在它们之间的传输线上数据就只向一个方向流动，即从发送方到接收方。这种向一个方向流动，即从发送方到接收方。这种传送方式就是单工制传送方式就是单工制(Simplex System)。(2)半双工半双工。若使用。若使用同一条传输线同一条传输线既作接收又作既作接收又作发送，虽然数据可以在两个方向上传送，但通发送，虽然数据可以在两个方向上传送，但通信双方信双方不能同时收发不能同时收发数据，这样的传送方式就数据，这样的传送方式就是半双工是半双工(Half Duplex System)制。制。采用半双工时，通信系统每一端的采用半双工时，通信系统每一端的发送器发送器和和接接收器收器，通过收

7、，通过收/发开关转接到通信线上，进行发开关转接到通信线上，进行方向的切换方向的切换，因此，会产生，因此，会产生时间延迟时间延迟。收。收/发发开关实际上是由软件控制的开关实际上是由软件控制的电子开关电子开关。(3)全双工全双工 当数据的发送和接收分流，分别由两根当数据的发送和接收分流，分别由两根不同的传输线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作，这样的传送方式就是全双工(Full Duplex System)制。制。在全双工方式下，通信系统的每一端都设置了在全双工方式下，通信系统的每一端都设置了发送器

8、发送器和和接收器接收器，因此，能控制数据同时在两个方向上传送。，因此，能控制数据同时在两个方向上传送。全双工方式全双工方式无需进行方向的切换无需进行方向的切换，因此，没有切换操，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互式应用(例如远程监测和控制系统例如远程监测和控制系统)十分有利。十分有利。目前多数终端和串行接口都为半双工方式提供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了换向能力，也为全双工方式提供了两条独立的引脚。的引脚。在实际使用时，一般并不需要通信双方同时既在实际使用时，

9、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，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。半双工甚至单工就能胜任，也无需倒向。2.串行通信中的同步串行通信中的同步 在串行传输数字信号时，在在串行传输数字信号时，在接收端接收端必须要有必须要有移移位时钟脉冲位时钟脉冲来控制将信号来控制将信号逐位读入逐位读入(一般使用一般使用时钟脉冲的上升沿在数据脉冲位的中间时刻将时钟脉冲的上升沿在数据脉冲位的中间时刻将数据逐位移入移位寄存器数据逐位移入移位寄存器)，然后按某种方式，然后按某种方式组装成与发送端发送数据完全相同的接收数据。组装成与发送端发送数据完全

10、相同的接收数据。这种让这种让时钟脉冲与数据脉冲之间的频率和相位时钟脉冲与数据脉冲之间的频率和相位保持一致的机制以及相应的数据装配就叫做保持一致的机制以及相应的数据装配就叫做同同步步，实现同步的技术就是，实现同步的技术就是同步方式同步方式。串行通信中的同步有异步方式和同步方式两类。串行通信中的同步有异步方式和同步方式两类。(1)异步方式异步方式 异步方式是一种异步方式是一种字符同步字符同步方式。所谓异步是指方式。所谓异步是指所传数据的所传数据的每两个字符之间的间隔时间可以不每两个字符之间的间隔时间可以不相等相等。这种传输每个字符以。这种传输每个字符以起始位起始位开头，以开头，以停停止位止位结束，

11、中间是被传输的结束，中间是被传输的数据位数据位，每位数据，每位数据位都与发送端同步，所以又称为位都与发送端同步，所以又称为起止式同步起止式同步方方式。这种方式在传输的两端之间式。这种方式在传输的两端之间传送的每个字传送的每个字符都要同步一次符都要同步一次。因此，每个字符都是一个独。因此，每个字符都是一个独立的信息单位立的信息单位(称为称为一帧一帧)。发送端，在发送每一个字符的串行数据前加一发送端，在发送每一个字符的串行数据前加一个个起始位起始位，在数据位结束时加一位，在数据位结束时加一位奇偶校验位奇偶校验位(可选可选)、一到二位、一到二位结束位结束位，这就是异步传送完，这就是异步传送完整的一帧

12、。整的一帧。起始位是低电平，结束位是高电平。起始位是低电平，结束位是高电平。所发送的所发送的位宽位宽等于发送端的移位时钟脉冲的周等于发送端的移位时钟脉冲的周期宽度，即期宽度，即发送发送是在是在移位时钟脉冲移位时钟脉冲的控制下把的控制下把并行数据转换成串行数据的。并行数据转换成串行数据的。接收端，为了正确的接收数据就必须采用和发接收端，为了正确的接收数据就必须采用和发送端送端相同频率相同频率的的移位时钟脉冲移位时钟脉冲。由于接收端与。由于接收端与发送端不是同一时钟源，因此接收频率和发送发送端不是同一时钟源，因此接收频率和发送频率可能会有一些频率可能会有一些误差误差。为了保证采样精度，为了保证采样

13、精度，接收接收移位时钟脉冲采用频率是移位时钟脉冲采用频率是发发送时钟频率送时钟频率N倍的时钟源倍的时钟源经过经过N分频分频(方波分频方波分频)得到。得到。接收端的接收过程为：接收端在初始状态时分频器输接收端的接收过程为：接收端在初始状态时分频器输入被禁止输出就为低电平，当收到收到起始位的负跳入被禁止输出就为低电平，当收到收到起始位的负跳变时，分频器输入频率被允许，当变时，分频器输入频率被允许，当分频器计数到分频器计数到N/2时将输出高电平。这个上升沿将再次时将输出高电平。这个上升沿将再次采样采样输入信号，输入信号，如果还是低电平就认为是起始位，在下一个上升沿就如果还是低电平就认为是起始位，在下

14、一个上升沿就将开始采样数据位。将开始采样数据位。对约定的数据位数采样完成后对约定的数据位数采样完成后(含奇偶位，如果有的含奇偶位，如果有的话话)，采样约定位数的结束信号，如果是高电平则本，采样约定位数的结束信号，如果是高电平则本次传输完成，置分频器输入禁止状态。次传输完成，置分频器输入禁止状态。异步方式虽然在输出异步方式虽然在输出/输入端不使用同一个时输入端不使用同一个时钟源，但由于频率相同且每个字符都要同步一钟源，但由于频率相同且每个字符都要同步一次，即使有一定的时钟偏差也不会向后累积，次，即使有一定的时钟偏差也不会向后累积，能够保证接收的可靠性。能够保证接收的可靠性。(2)同步方式同步方式

15、 发送端发送的发送端发送的每位信息每位信息都带有同步信息。在实际应用都带有同步信息。在实际应用中，使用中，使用同一时钟源同一时钟源作为发送端和接收端的移位时钟作为发送端和接收端的移位时钟脉冲。这样就不需要在数据中附加控制冗余信息，提脉冲。这样就不需要在数据中附加控制冗余信息，提高了数据传输率，但增加了一条通信线路。这种方式高了数据传输率，但增加了一条通信线路。这种方式必须控制数据线和同步线的畸变和相移，以保证接收必须控制数据线和同步线的畸变和相移，以保证接收端能够正确接收数据。端能够正确接收数据。同步方式一般是以同步方式一般是以数据块数据块为信息单位传送，而每帧信为信息单位传送，而每帧信息包括

16、息包括成百上千个字符或比特成百上千个字符或比特(二进制位二进制位)。数据块数据块内部的位传送内部的位传送是同步的，数据是同步的，数据块与数据块之间块与数据块之间的传送也应该是同步的，这就是的传送也应该是同步的，这就是同步通信同步通信。同步方式有两种形式：外同步和内同步。同步方式有两种形式：外同步和内同步。外同步外同步是指不但每一位有同步时钟，而且发送是指不但每一位有同步时钟，而且发送端在发送一个数据块之前要先发送一个端在发送一个数据块之前要先发送一个块同步块同步信号信号，通知接收端在下一个采样时钟位置是下，通知接收端在下一个采样时钟位置是下一个接收数据块的第一个比特。至于如何对接一个接收数据块

17、的第一个比特。至于如何对接收到的比特流进行划分，要按事先的约定。收到的比特流进行划分，要按事先的约定。内同步内同步无需数据块同步信号，数据块的同步采无需数据块同步信号，数据块的同步采用用比特流中的同步码比特流中的同步码来同步，同步码后面就是来同步，同步码后面就是数据，数据划分同样根据事先约定。数据，数据划分同样根据事先约定。内同步格式的通信协议一般有两种：内同步格式的通信协议一般有两种：面向字符面向字符的通信协议和的通信协议和面向比特面向比特的通信协议。的通信协议。3.数字数据编码技术数字数据编码技术 数字数据可以以数字信号或模拟信号在通信信数字数据可以以数字信号或模拟信号在通信信道上传输，主

18、要根据传输设备和传输介质的不道上传输，主要根据传输设备和传输介质的不同而采用不同的方式。同而采用不同的方式。(1)数字数据的数字编码技术数字数据的数字编码技术 数字数据以数字信号传输时，往往要进行编码，数字数据以数字信号传输时，往往要进行编码，以保证数据在信道上正确地传输。以保证数据在信道上正确地传输。目前，在传输数字信号时往往采用目前，在传输数字信号时往往采用曼彻斯特编曼彻斯特编码码或或差分曼彻斯特差分曼彻斯特编码。编码。这两种编码在这两种编码在每一位数据位的中心都有一个跳每一位数据位的中心都有一个跳变变，接收端可以将它分离出来作为同步信号。，接收端可以将它分离出来作为同步信号。由于它们的由

19、于它们的每位数据位都带有同步信息每位数据位都带有同步信息，所以，所以又称为又称为自同步编码自同步编码。如图。如图8.1所示。所示。曼彻斯编码曼彻斯编码以在以在数据位中心的跳变数据位中心的跳变来判断这位来判断这位数据是数据是0或是或是1，正跳变，正跳变(由低电平到高电由低电平到高电平平)表示表示0，负跳变，负跳变(由高电平到低电平由高电平到低电平)表示表示1。差分曼彻斯特编码差分曼彻斯特编码是以每位是以每位数据位的开始是否数据位的开始是否有跳变有跳变来表示这位数据是来表示这位数据是0还是还是1，在数，在数据位开始时有跳变为据位开始时有跳变为0，无跳变为，无跳变为1。由于曼彻斯特编码和差分曼彻斯特

20、编码在数据由于曼彻斯特编码和差分曼彻斯特编码在数据波形上就携带了时钟信息，在一条传输线上传波形上就携带了时钟信息，在一条传输线上传输数据和同步时钟就不会出现失步，因此可以输数据和同步时钟就不会出现失步，因此可以用较高的传输率传输数据。用较高的传输率传输数据。(2)数字数据的模拟编码技术数字数据的模拟编码技术 在线路上传输的脉冲信号可以分解成直流分量、低频在线路上传输的脉冲信号可以分解成直流分量、低频与高频谐波分量，因此与高频谐波分量，因此数字信号的传输需要很宽的频数字信号的传输需要很宽的频带带。如果在带宽较窄的信道传输数字脉冲信号，则会。如果在带宽较窄的信道传输数字脉冲信号，则会滤去一些谐波分

21、量，造成脉冲波形畸变导致传输失败。滤去一些谐波分量，造成脉冲波形畸变导致传输失败。于是，在于是，在带宽较窄的信道带宽较窄的信道传输时发送端要将数字信号传输时发送端要将数字信号变换成一定频率范围内的变换成一定频率范围内的模拟信号模拟信号在某一频带内传输，在某一频带内传输，接收端将这些模拟信号变换成数字信号接收，这种变接收端将这些模拟信号变换成数字信号接收，这种变换和反变换就称为调制和解调。换和反变换就称为调制和解调。调制调制过程是用数字信号对一定频率的正弦载波信号的过程是用数字信号对一定频率的正弦载波信号的振幅、频率、相位进行控制，使之加载到载波信号上。振幅、频率、相位进行控制，使之加载到载波信

22、号上。接收端将数字信号从加载的载波信号上分离出来，就接收端将数字信号从加载的载波信号上分离出来，就是是解调解调过程。过程。调制方式一般有三种：调幅、调频和调相，又调制方式一般有三种：调幅、调频和调相，又分别称为移幅键控分别称为移幅键控(ASK，Amplitude Shift Keying)、移频键控、移频键控(FSK，Frequency Shift Keying)和移相键控和移相键控(PSK，Phase Shift Keying)。在对数字数据的传输中，不改变数字信号的波在对数字数据的传输中，不改变数字信号的波形和频率的传输方式称为形和频率的传输方式称为基带传输基带传输，而传输经，而传输经过调

23、制后的变成模拟信号的传输方式称为过调制后的变成模拟信号的传输方式称为频带频带传输传输。4.传输速率与传输距离传输速率与传输距离 在串行通信中，传输速率用波特率来表示。所在串行通信中，传输速率用波特率来表示。所谓谓波特率波特率，是指单位时间内传送二进制数据的，是指单位时间内传送二进制数据的位数，其单位是位数，其单位是位位/秒秒(bit/s)。它是衡量串行数。它是衡量串行数据速度快慢的重要指标。有时也用据速度快慢的重要指标。有时也用“位周期位周期”来表示传输速率，来表示传输速率，位周期是波特率的倒数位周期是波特率的倒数。传输距离传输距离是指发送端和接收端之间直接传送串是指发送端和接收端之间直接传送

24、串行数据的最大距离行数据的最大距离(误码在允许的范围内误码在允许的范围内)。它。它与传输速率及传输介质的电气特性有关，往往与传输速率及传输介质的电气特性有关，往往传输距离传输距离随传输速率的增加而减小随传输速率的增加而减小。5.传输差错控制传输差错控制 串行数据在传输过程中，由于干扰而引起误码串行数据在传输过程中，由于干扰而引起误码是难免的，这将直接影响通信系统的可靠性，是难免的，这将直接影响通信系统的可靠性，所以，通信中的差错控制能力是衡量一个通信所以，通信中的差错控制能力是衡量一个通信系统的重要指标。我们把如何发现传输中的错系统的重要指标。我们把如何发现传输中的错误，叫误，叫检错检错；在发

25、现错误之后，如何消除错误，；在发现错误之后，如何消除错误，叫叫纠错纠错。一个可靠的通信系统必须提供无差错的传输服一个可靠的通信系统必须提供无差错的传输服务，差错控制的作用就是在通信过程中发现和务，差错控制的作用就是在通信过程中发现和纠正误码。纠正误码。(1)数据传输的差错控制方式数据传输的差错控制方式 反馈重传纠错反馈重传纠错(ARQ，Automatic Request for Repeat)在发送端发送具有在发送端发送具有检错检错功能的编码，发送完后保存该功能的编码，发送完后保存该数据，等待接收端的应答。在接收端根据检错码的编数据，等待接收端的应答。在接收端根据检错码的编码规则判断所接收的数

26、据是否正确，并把判断结果反码规则判断所接收的数据是否正确，并把判断结果反馈给发送端。如果发送端收到的是无错应答，就删除馈给发送端。如果发送端收到的是无错应答，就删除所保存的发送数据，继续发送下一个数据；如果是有所保存的发送数据，继续发送下一个数据；如果是有错应答，则将保存的数据错应答，则将保存的数据重发重发。这种检纠错的方式简单，检错的冗余信息位不多，因这种检纠错的方式简单，检错的冗余信息位不多，因此应用广泛。但当通信信道干扰严重时，通信就会经此应用广泛。但当通信信道干扰严重时，通信就会经常处于重传状态而无法进行下去。因此，这种方式常处于重传状态而无法进行下去。因此，这种方式要要求信道的误码率

27、小于一定的值求信道的误码率小于一定的值，一般误码率小于，一般误码率小于10-7的信道为合格。误码率是指错误码的位数与所传输的的信道为合格。误码率是指错误码的位数与所传输的总位数之比值。总位数之比值。前向纠错前向纠错(FEC，Forward Error Correcting)在发送端发送具有在发送端发送具有纠错纠错功能的编码，与检错码功能的编码，与检错码相比，要增加一些冗余信息来完成纠错功能。相比，要增加一些冗余信息来完成纠错功能。接收端根据纠错码的编码规则，不但能检出错接收端根据纠错码的编码规则，不但能检出错误编码，而且还能纠正它。采用该方式发送端误编码，而且还能纠正它。采用该方式发送端就不必

28、等待应答。就不必等待应答。但一种但一种纠错编码能纠正的编码位数是有限的纠错编码能纠正的编码位数是有限的，而且纠正的误码位越多要求的冗余位也越多，而且纠正的误码位越多要求的冗余位也越多，编解码过程也越复杂。如果误码的位数超过该编解码过程也越复杂。如果误码的位数超过该编码的纠错能力，这种方式就无能为力了。编码的纠错能力，这种方式就无能为力了。混合纠错混合纠错(HEC，Hybrid Error Correcting)综合了以上两种方式，在发送端发送能纠错的综合了以上两种方式，在发送端发送能纠错的编码，在接收端如发现误码在纠错能力范围内编码，在接收端如发现误码在纠错能力范围内则直接纠错且反馈无错应答，

29、如发现误码超过则直接纠错且反馈无错应答，如发现误码超过纠错能力则向发送端反馈误码信息请求重发该纠错能力则向发送端反馈误码信息请求重发该组数据。组数据。(2)常用的检纠错方法常用的检纠错方法 在基本通信规程中一般采用奇偶校验或方阵码在基本通信规程中一般采用奇偶校验或方阵码检错，以反馈重发方式纠错；在高级通信控制检错，以反馈重发方式纠错；在高级通信控制规程中一般采用循环冗余码规程中一般采用循环冗余码CRC(Cyclic Redundancy Code)检错和自动纠错。检错和自动纠错。方阵码方阵码检错检错 方阵码检错技术是方阵码检错技术是奇偶校验奇偶校验与与“检验和检验和”的综的综合。例如，合。例如

30、，7位编码的字符附位编码的字符附1位奇偶校验位，位奇偶校验位，以使整个字节的以使整个字节的“1”的个数为偶数或者为奇数。的个数为偶数或者为奇数。让若干个带检验位字符组成一个数据块，并对让若干个带检验位字符组成一个数据块，并对所有数据块中的字符纵向按位加，产生一个单所有数据块中的字符纵向按位加，产生一个单字节的检验字符并附加到数据块末尾。这一检字节的检验字符并附加到数据块末尾。这一检验字符实际是所有字节验字符实际是所有字节“异或异或”的结果，反映的结果，反映了整个数据块的奇偶性。在接收时，数据块读了整个数据块的奇偶性。在接收时，数据块读出产生一个检验字符，和发送来的检验字符进出产生一个检验字符，

31、和发送来的检验字符进行比较。如果两者不同，就表明有错码，反馈行比较。如果两者不同，就表明有错码，反馈重发。重发。下面是一个方阵检验字符的生成示例。下面是一个方阵检验字符的生成示例。1 1 0 1 0 0 1 0奇偶位奇偶位 0 1 0 0 0 0 0 1 1 0 1 0 1 0 1 0 1 1 1 1 0 0 1 1 1 1 0 0 0 0 1 1 _0 0 0 0 1 0 0 1 循环冗余码循环冗余码(CRC)检错和自动纠错检错和自动纠错 循环冗余码循环冗余码CRC具有很高的纠错能力，在串行具有很高的纠错能力，在串行数据通信中得到广泛的应用。数据通信中得到广泛的应用。CRC码的特性：任何一个

32、码的特性：任何一个CRC码循环右码循环右(左左)移移一位产生的新码仍然是一位产生的新码仍然是CRC码；任何两个码；任何两个CRC码按位异或结果仍然是码按位异或结果仍然是CRC码。码。CRC的算法可以通过软件实现，也可以通过除的算法可以通过软件实现，也可以通过除法电路和移位电路硬件实现。当前，法电路和移位电路硬件实现。当前，CRC码的码的编译码大都采用硬件实现。编译码大都采用硬件实现。8.1.2 串行通信的数据格式串行通信的数据格式 在通信过程中，通信的各方都必须按统一的通在通信过程中，通信的各方都必须按统一的通信协议进行才能够完成通信。信协议进行才能够完成通信。所谓所谓通信协议通信协议是指通信

33、各方相互的一组约定，是指通信各方相互的一组约定，这组约定中要对包含同步方式、传送速度、数这组约定中要对包含同步方式、传送速度、数据格式、传送步骤、检纠错方式以及控制方式据格式、传送步骤、检纠错方式以及控制方式的定义等各个方面作出统一规定，以保证通信的定义等各个方面作出统一规定，以保证通信的顺利实施和完成。相互通信的各方必须共同的顺利实施和完成。相互通信的各方必须共同遵守同一通信协议才能够正确完成相互间的通遵守同一通信协议才能够正确完成相互间的通信。通信协议也叫做信。通信协议也叫做通信控制规程通信控制规程，或者，或者传输传输控制规程控制规程，它在，它在ISO的的OSI七层参考模型中属七层参考模型

34、中属于数据链路层。于数据链路层。当前较为广泛采用的串行通信协议有两类：起当前较为广泛采用的串行通信协议有两类：起止式异步通信协议和同步通信协议。同步通信止式异步通信协议和同步通信协议。同步通信协议又有面向字符协议又有面向字符(Character-Oriented)的同步的同步通信协议和面向比特通信协议和面向比特(Bit-Oriented)的同步通信的同步通信协议等各种同步通信协议。协议等各种同步通信协议。接下来讨论这几种通信协议的数据格式。接下来讨论这几种通信协议的数据格式。1.起止式异步通信协议的数据格式起止式异步通信协议的数据格式(1)帧格式帧格式 由于在异步通信时被传送的字符出现在数据流

35、中的相由于在异步通信时被传送的字符出现在数据流中的相对时间是任意的与随机的，因此，为了确保异步通信对时间是任意的与随机的，因此，为了确保异步通信的正确性，必须找到一种方法，使收的正确性，必须找到一种方法，使收/发双方在随机发双方在随机传送的字符与字符间实现同步。传送的字符与字符间实现同步。这种方法就是在字符数据格式中设置起始位和停止位，这种方法就是在字符数据格式中设置起始位和停止位，发送端在一个字符正式发送之前先发发送端在一个字符正式发送之前先发一个起始位一个起始位，而，而在该字符结束时再发在该字符结束时再发一个一个(或几个或几个)停止位停止位。接收端在检测到起始位时，便知道字符已到达，应开接

36、收端在检测到起始位时，便知道字符已到达，应开始接收字符；当检测到停止位时，则知道字符已结束。始接收字符；当检测到停止位时，则知道字符已结束。由于这种通信的数据格式是靠起始位和停止位来进行由于这种通信的数据格式是靠起始位和停止位来进行字符同步的，故称之为字符同步的，故称之为起止式起止式数据格式。数据格式。起止式异步通信的帧数据格式起止式异步通信的帧数据格式 每帧信息每帧信息(即每个字符即每个字符)由由4部分组成：部分组成：1位起始位起始位位(低电平，逻辑值低电平，逻辑值0)；58位数据位位数据位(传送的传送的有效信息有效信息)；1位校验位位校验位(也可以没有校验位也可以没有校验位)；最后是最后是

37、l位，或位，或l.5位，或位，或2位停止位，停止位后位停止位，停止位后面是不定长度的空闲位，停止位和空闲位都规面是不定长度的空闲位，停止位和空闲位都规定为高电平定为高电平(逻辑值逻辑值1)，这样就保证起始位开始，这样就保证起始位开始处一定有处一定有1个下跳沿。个下跳沿。起始位和停止位是作为联络信号而附加的，它起始位和停止位是作为联络信号而附加的，它们在异步通信中起着至关重要的作用，为通信们在异步通信中起着至关重要的作用，为通信双方提供了何时开始双方提供了何时开始/收发，何时结束的标志。收发，何时结束的标志。传送开始之前，发传送开始之前，发/收双方把所采用的起止式帧格式收双方把所采用的起止式帧格

38、式(包括字符的数据位长度，停止位位数，有无校验位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以及是奇校验还是偶校验等)和数据传输速率作统一和数据传输速率作统一约定。约定。传送开始后传送开始后，接收设备不断地检测传输线，看是否有，接收设备不断地检测传输线，看是否有起始位到来。当收到一系列的起始位到来。当收到一系列的“1”(停止位或空闲位停止位或空闲位)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

39、位拼装以及停止位。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，无奇偶错才算正确成一个并行字节：并且经校验后，无奇偶错才算正确地接收一个字符。一个字符接收完毕，接收设备又继地接收一个字符。一个字符接收完毕，接收设备又继续测试传输线，监视续测试传输线，监视“下跳沿下跳沿”的到来和下一字符的的到来和下一字符的开始，直到全部数据传送完毕。开始，直到全部数据传送完毕。(2)特点特点 接收端自动实现接收端自动实现字符同步字符同步和和位同步位同步。接收端以约定的。接收端以约定的传输速率的传输速率的N倍倍(N通常为通常为4、8、16、32、64等等)的本的本地时钟产生接收端的采样时钟，采样

40、时钟的上升沿作地时钟产生接收端的采样时钟，采样时钟的上升沿作为采样信号，由前述知道，该上升沿差不多在信息位为采样信号，由前述知道，该上升沿差不多在信息位的中间位置。的中间位置。N称为称为波特率因子波特率因子。对接收时钟的精度要求不是很高。由上述工作过程可对接收时钟的精度要求不是很高。由上述工作过程可以看到，异步通信是以看到，异步通信是1次传送次传送1帧数据帧数据(1个字符个字符)。每。每传送传送1帧数据，发送端都用起始位来通知接收端，以帧数据，发送端都用起始位来通知接收端，以此来重新核对收此来重新核对收/发双方的同步。若接收设备和发送发双方的同步。若接收设备和发送设备两者的时钟频率略有偏差，这

41、也不会因偏差的累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，所以异步串行通信的提供一种缓冲，所以异步串行通信的可靠性高可靠性高。传输数据的传输数据的速率慢、效率低速率慢、效率低。由于起止式数据。由于起止式数据格式允许上一帧数据与下一帧数据之间有空闲格式允许上一帧数据与下一帧数据之间有空闲位，所以数据传输速率慢。由于要在每个字符位，所以数据传输速率慢。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，的前后加上起始位和停止位这样一些附加位，使得传送有用使得传送有用(效效)的数据位减少

42、，所以传输效的数据位减少，所以传输效率低率低(最大最大80)。接收。接收电路相对简单电路相对简单，所以异，所以异步串行通信易于实现。步串行通信易于实现。基于以上这些特点，异步串行通信仍然是最广基于以上这些特点，异步串行通信仍然是最广泛应用的通信方式之一。泛应用的通信方式之一。2.面向字符的同步通信协议的数据格式面向字符的同步通信协议的数据格式 这是一种这是一种内同步内同步方式的同步通信协议。方式的同步通信协议。(1)帧格式帧格式 这种同步通信协议的典型代表是这种同步通信协议的典型代表是IBM公司的公司的二二进制同步通信协议进制同步通信协议(BSCP)。它的特点是一次。它的特点是一次传送由若干个

43、字符组成的传送由若干个字符组成的数据块数据块，而不是只传，而不是只传送一个字符，并规定了送一个字符，并规定了10个特殊字符作为这个个特殊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数据块的开头与结束标志以及整个传输过程的控制信息，这控制信息，这10个特殊字符叫做个特殊字符叫做通信控制字通信控制字。由于被传送的数据块是由字符组成，因此被称由于被传送的数据块是由字符组成，因此被称作面向字符的数据格式。作面向字符的数据格式。二进制同步通信协议的数据帧格式为：二进制同步通信协议的数据帧格式为：SYNSYNSOH标题标题STX数据块数据块ETB/ETX块校验块校验 其中，控制字符的定义如下：其中

44、，控制字符的定义如下：SYN是同步字符是同步字符(Synchronous Character)，每一帧开，每一帧开始处都有一个或者两个始处都有一个或者两个SYN，加一个，加一个SYN的称单同步，的称单同步，加两个加两个SYN的称双同步。设置同步字符是起联络作用，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，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。就知道是一帧开始了。接着的接着的SOH是序始字符是序始字符(Start of Header)，它表示标，它表示标题的开始。题的开始。标题标题中包括源地址、目标地址和路由指示等信息。中包括源

45、地址、目标地址和路由指示等信息。STX是文始字符是文始字符(start Of Text)，它标志着传送的正文，它标志着传送的正文(数据块数据块)开始。数据块就是被传送的正文内容，由若开始。数据块就是被传送的正文内容，由若干个字符组成。干个字符组成。数据块数据块后面是后面是组终字符组终字符ETB(End of Transmission Block)或文终字符或文终字符EXT(End of Text)。其中。其中ETB用在用在正文很长，需要分成若干个分数据块，分别在不同帧正文很长，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组终字符中发送的场合，这时在每个分数据块后面

46、用组终字符ETB，而在最后一个分数据块后面用文终字符，而在最后一个分数据块后面用文终字符ETX。一帧的最后是一帧的最后是校验码校验码，它对从，它对从SOH开始直到开始直到ETX(或或ETB)字段进行校验，校验方式可以是纵横奇偶校验字段进行校验，校验方式可以是纵横奇偶校验或或CRC校验。校验。面向字符同步通信协议的数据帧格式中所采用的面向字符同步通信协议的数据帧格式中所采用的10个个通信控制字符通信控制字符如表如表8.2所示。所示。(2)数据透明数据透明 因为在数据块中完全有可能出现与通信控制字符代码因为在数据块中完全有可能出现与通信控制字符代码相同的数据字符，为防发生误解，在接收端必须区别相同

47、的数据字符，为防发生误解，在接收端必须区别开数据字符代码和特定的通信控制字符代码。开数据字符代码和特定的通信控制字符代码。为了解决这个问题，该同步通信协议就应具有为了解决这个问题，该同步通信协议就应具有将通信将通信控制字符作为普通数据处理控制字符作为普通数据处理的能力，这种能力叫做的能力，这种能力叫做数数据透明据透明。为此，在协议中设置了为此，在协议中设置了转义字符转义字符DLE(Data Link Escape)。当把一个通信控制字符看成数据时，在它。当把一个通信控制字符看成数据时，在它前面要加一个前面要加一个DLE，这样接收器收到一个，这样接收器收到一个DLE就可就可预知下一个字符是数据字

48、符，而不会把它当作控制字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。由于符来处理了。由于DLE本身也是特定字符，所以当本身也是特定字符，所以当它出现在数据块中作为数据时，也要在它前面再加上它出现在数据块中作为数据时，也要在它前面再加上另一个另一个DLE。这种方法叫。这种方法叫字符填充字符填充。字符填充实现字符填充实现起来相当麻烦，且依赖于所使用字符集的编码起来相当麻烦，且依赖于所使用字符集的编码。(3)特点特点 以以数据帧数据帧为传送单位。每次传送都是一个完整为传送单位。每次传送都是一个完整的数据帧，它包含若干个控制字符、数据字符、的数据帧，它包含若干个控制字符、数据字符、校验字

49、符。每个字符由校验字符。每个字符由8个二进制位组成。个二进制位组成。二进制二进制位位流的流的同步同步由发送端在每一位信息附加由发送端在每一位信息附加同步信号完成，数据同步信号完成，数据块块的的同步同步由数据帧的同步由数据帧的同步字符控制完成。字符控制完成。通信各方必须使用通信各方必须使用同一字符集同一字符集。由于数据透明。由于数据透明的字符填充完全依赖所使用字符集的编码，不的字符填充完全依赖所使用字符集的编码，不同字符集的控制字符不一样，就无法实现数据同字符集的控制字符不一样，就无法实现数据透明。透明。3.面向比特的同步通信协议的数据格式面向比特的同步通信协议的数据格式 这也是一种内同步方式的

50、同步通信协议。这也是一种内同步方式的同步通信协议。(1)帧格式帧格式 面向比特的协议中最有代表性的面向比特的协议中最有代表性的IBM的同步数据链路的同步数据链路控制规程控制规程SDLC(Synchronous Data Link Control)，国，国际标准化组织际标准化组织ISO的高级数据链路控制规程的高级数据链路控制规程HDLC(High Level Data Link Control)，美国国家标，美国国家标准协会准协会ANSI(American National Standards Institute)的先进数据通信规程的先进数据通信规程ADCCP(Advanced Data Com

51、munications Control Procedure)。这些协议的特点是所传输的这些协议的特点是所传输的一帧一帧数据可以是数据可以是任意二进任意二进制位制位，而且它是靠，而且它是靠约定的位组合约定的位组合模式，而模式，而不是靠特定不是靠特定字符字符来标志帧的开始和结束，所以称为面向比特的协来标志帧的开始和结束，所以称为面向比特的协议。议。8位位8位或任意位或任意长长8位或位或160位位16位位8位位01111110ACIFC01111110开始标志开始标志地址场地址场控制场控制场信息场信息场校验场校验场结束标志结束标志SDLC/HDLC的数据帧格式的数据帧格式(2)帧信息的分段帧信息的分

52、段 SDLC/HDLC的一帧信息包括以下几个场的一帧信息包括以下几个场(Field)，所有场都是从最低有效位开始传送。，所有场都是从最低有效位开始传送。SDLC/HDLC标志符标志符 SDLC/HDLC协议规定，所有信息传输必须以协议规定，所有信息传输必须以一个标志符一个标志符开始开始，并且以同一个标志符，并且以同一个标志符结束结束。这个标志符是二进制位串这个标志符是二进制位串01111110，称，称标志场标志场(F)。从开始标志符到结束标志符之间构成一。从开始标志符到结束标志符之间构成一个完整的信息单位，称为一帧个完整的信息单位，称为一帧(Frame)。所有。所有的信息是以帧的形式传输的，而

53、标志符提供了的信息是以帧的形式传输的，而标志符提供了每一帧的边界。接收端可以通过搜索每一帧的边界。接收端可以通过搜索“01111110”来探知帧的开头和结束，以此建来探知帧的开头和结束，以此建立帧同步。立帧同步。地址场和控制场地址场和控制场 在标志场之后，可以有一个在标志场之后，可以有一个地址场地址场A(Address)和一个和一个控制场控制场C(Control)。地址场地址场用来规定与用来规定与之通信的站点地址；之通信的站点地址；控制场控制场可规定若干个命令。可规定若干个命令。SDLC规定：规定：A场和场和C场的宽度为场的宽度为8位。位。HDLC规定规定：A场可为任意长度场可为任意长度，接收

54、方必须检查每，接收方必须检查每个地址字节的第一位，如果为个地址字节的第一位，如果为“0”，则后边跟，则后边跟着另一个地址字节，若为着另一个地址字节，若为“1”，则该字节就是，则该字节就是最后一个地址字节；最后一个地址字节；C场为场为8位或位或16位位，同理，同理，如果控制场第一个字节的第一位为如果控制场第一个字节的第一位为“0”，则还，则还有第二个控制场字节，否则就只有一个字节。有第二个控制场字节，否则就只有一个字节。信息场信息场 跟在控制场之后的是跟在控制场之后的是信息场信息场I(Information)。信息场。信息场I场包含有要传送的数据，并不是每一帧都必须有信息场包含有要传送的数据，并

55、不是每一帧都必须有信息场。即数据场长度可以为场。即数据场长度可以为0，当它为，当它为0时，则这一帧主时，则这一帧主要是控制命令。要是控制命令。帧校验场帧校验场 紧跟在信息场之后的是两字节的紧跟在信息场之后的是两字节的帧校验场帧校验场，帧校验场，帧校验场称为称为FC(Frame Check)场或称为帧校验序列场或称为帧校验序列FCS(Frame Check Sequence)。SDLC/HDLC均采用均采用16位循环冗余校验码位循环冗余校验码CRC，其生成多项式为，其生成多项式为CCITT多项式多项式X16+X12+X5+l。除了标志场和自动插入的。除了标志场和自动插入的“0”位外，所有的信息都

56、参加位外，所有的信息都参加CRC计算。计算。(3)实际应用时的两个技术问题实际应用时的两个技术问题 “0”位插入位插入/删除技术删除技术 SDLC/HDLC协议规定以协议规定以01111110为标志字节，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但在信息场中也完全有可能有同一种模式的字节，为了把它与标志区分开来，所以采取了节，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。位插入和删除技术。具体做法具体做法是：发送端在发送所有信息是：发送端在发送所有信息(除标志除标志字节外字节外)时，只要遇到连续时，只要遇到连续5个个“1”，就自动插，就自动插入一个入一个“0”，当接收端在

57、接收数据时，当接收端在接收数据时(除标志除标志字节字节)如果连续接收到如果连续接收到5个个“1”，就自动将其后，就自动将其后的一个的一个“0”删除，以恢复信息的原有形式。这删除，以恢复信息的原有形式。这种种“0”位的插入和删除过程是由位的插入和删除过程是由硬件自动完成硬件自动完成的。的。SDLC/HDLC异常结束异常结束 如在发送过程中出现错误，如在发送过程中出现错误，SDLC/HDLC协议用异常协议用异常结束结束(Abort)字符字符，或称，或称失效序列失效序列使本帧作废。在使本帧作废。在HDLC规程中，规程中，7个连续的个连续的“1”被作为失效字符，而被作为失效字符，而在在SDLC中失效字

58、符是中失效字符是8个连续的个连续的“1”。当然在失效。当然在失效序列中不使用序列中不使用“0”位插入位插入/删除技术。删除技术。SDLC/HDLC协议规定，在协议规定，在一帧之内一帧之内不允许出现数据不允许出现数据间隔。在间隔。在两帧信息之间两帧信息之间，发送器可以连续输出标志符，发送器可以连续输出标志符序列，也可以输出连续的高电平，它被称为空闲序列，也可以输出连续的高电平，它被称为空闲(Idle)信号。信号。从上述同步协议的介绍可以看到，采用同步协议的数从上述同步协议的介绍可以看到，采用同步协议的数据格式，据格式，传输效率高，传送速率快，但其技术复杂，传输效率高，传送速率快，但其技术复杂，硬

59、件开销大。硬件开销大。故在一般应用中，采用异步通信协议的故在一般应用中，采用异步通信协议的数据格式较多。数据格式较多。8.1.3 串行通信标准串行通信标准 为了使不同生产厂家产生的计算机设备或通信设备能为了使不同生产厂家产生的计算机设备或通信设备能够互连，需要一个通信接口标准。够互连，需要一个通信接口标准。国际电话与电报顾问委员会国际电话与电报顾问委员会CCITT定义，物理接口定义，物理接口两端的设备分别称为两端的设备分别称为数据终端设备数据终端设备DTE(Data Terminal Equipment)和数据电路终接设备和数据电路终接设备DCE(Data Circuit-terminatin

60、g Equipment)，后者也叫做，后者也叫做数据通数据通信设备信设备DCE(Data Communication Equipment)。DTE包括各种用户终端、计算机等设备，包括各种用户终端、计算机等设备，DCE指提供给指提供给用户的通信设备如用户的通信设备如MODEM、电传机等。、电传机等。美国电子工业联合会美国电子工业联合会(EIA)制定的制定的RS(建议标准建议标准Recommended Standard)和和CCITT制定的制定的V系列和系列和X系列接口标准都规定了接口的机械特性、电气特性、系列接口标准都规定了接口的机械特性、电气特性、功能特性与规程特性。功能特性与规程特性。1.R

61、S-232C接口标准接口标准 该标准的全称是该标准的全称是EIA-RS-232C标准标准(Electronic Industrial Associate-Recommended Standard 232C)是美国是美国EIA(电子工业联合会电子工业联合会)与与BELL等等公司一起开发的公司一起开发的1969年公布的通信协议。年公布的通信协议。232标准与标准与CCITT的的V.24基本相同。基本相同。它适合于数据传输速率在它适合于数据传输速率在020,000bit/s范围内、范围内、传输距离在传输距离在15m以内以内的通信。由于通信设备厂的通信。由于通信设备厂商大都生产与商大都生产与RS-23

62、2C制式兼容的通信设备，制式兼容的通信设备，因此，它作为一种标准，目前已在微机串行通因此，它作为一种标准，目前已在微机串行通信接口中广泛采用。信接口中广泛采用。RS-232C标准最初是为标准最初是为远程通信远程通信连接数据终端设备连接数据终端设备DTE与数据通信设备与数据通信设备DCE而制定的。因此，这个标而制定的。因此，这个标准的制定，并未考虑计算机系统的应用要求。但目前准的制定，并未考虑计算机系统的应用要求。但目前它又广泛地被借来用于计算机它又广泛地被借来用于计算机(更准确地说，是计算更准确地说，是计算机接口机接口)与终端或外设之间的近端连接标准。很显然，与终端或外设之间的近端连接标准。很

63、显然，这个标准的有些规定及定义和计算机系统是不一致的，这个标准的有些规定及定义和计算机系统是不一致的，甚至是相矛盾的。甚至是相矛盾的。RS-232C标准中所提到的标准中所提到的“发送发送”和和“接收接收”，都是，都是站在站在DTE的立场的立场上，而不是站在上，而不是站在DCE的立场来定义的立场来定义的。由于在计算机系统中，往往是的。由于在计算机系统中，往往是CPU和和I/O设备之设备之间传送信息，两者都是间传送信息，两者都是DTE，因此双方都能发送或，因此双方都能发送或接收。接收。(1)EIA-RS-232C标准的信号线标准的信号线 RS-232C的信号线定义的信号线定义 表表8.3给出了给出

64、了RS-232C的信号名称、对应引脚号的信号名称、对应引脚号(DB-25连接器连接器)及功能。及功能。RS-232C标准为主信道和辅信道共分配了标准为主信道和辅信道共分配了25条线，其条线，其中辅信道的信号线，几乎没有使用，而主信道的信号中辅信道的信号线，几乎没有使用，而主信道的信号线有线有9条条(表中打表中打*号者号者)，以下是这，以下是这9个信号的说明：个信号的说明：2号线号线发送数据发送数据(TxDTransmitted data)：通过：通过TxD线线DTE终端将串行数据发送到终端将串行数据发送到MODEM。3号线号线接收数据接收数据(RxDReceived data)：通过：通过Rx

65、D线线DTE终端接收从终端接收从MODEM发来的串行数据。发来的串行数据。4号线号线请求发送请求发送(RTSRequest to send)：用：用来表示来表示DTE请求请求DCE发送数据，即当终端要发发送数据，即当终端要发送数据时，使该信号有效送数据时，使该信号有效(ON状态状态)，向，向MODEM请求发送。它用来控制请求发送。它用来控制MODEM是否是否要进入发送状态。要进入发送状态。5号线号线允许发送允许发送(CTSClear to send)：用来：用来表示表示DCE准备好接收准备好接收DTE发来的数据。是对请发来的数据。是对请求发送信号求发送信号RTS的响应信号。当的响应信号。当MO

66、DEM已准已准备好接收终端传来的数据，并向前发送时，使备好接收终端传来的数据，并向前发送时，使该信号有效，通知该信号有效，通知DTE终端开始沿发送数据线终端开始沿发送数据线TxD发送数据。发送数据。4号线和号线和5号线这对号线这对RTS/CTS请求应答联络信号请求应答联络信号是用于是用于半双工半双工采用采用MODEM的系统中作发送方的系统中作发送方式和接收方式之间的切换。在式和接收方式之间的切换。在全双工全双工系统中，系统中，因配置双向通道，因此因配置双向通道，因此不需不需RTS/CTS联络信号联络信号，使其处于高电平状态。使其处于高电平状态。6号线号线数据通信设备准备就绪数据通信设备准备就绪(DSRData set ready)：有效时：有效时(ON状态状态)，表明，表明MODEM处于可以使用的状态。处于可以使用的状态。7号线号线信号地信号地(SGSignal Ground)：所有公：所有公共信号地。共信号地。8号线号线数据载波检测数据载波检测(DCD Data Carrier detection)线：用来表示线：用来表示DCE已接通通信链路，已接通通信链路，告之告之DTE准备接收数