同步通信与异步通信

串行通信的基本概念

所谓“串行通信”：是指数据是一位一位顺序传送。

   问题：为什么要采用串行通信呢？

   解答：采用串行通信的主要原因是：为了降低通信线路的价格和简化通信设备，并且可以利用现有的通信线路。

并行通信和串行通信

   在计算机领域中，有两种数据通信方式： 串行传送和并行传送。

   并行传送

      数据在多条并行1位宽的传输线上同时由源传送到目的。示意图如下：

   串行传送

      数据在单条1位宽的传输线上，一位一位地按顺序分时传送。示意图如下：

   并行通信与串行通信的比较： 

     (1)从距离上看：并行通信适宜于近距离的数据传送，通常小于30米。而串行通

        信适宜于远距离传送，可以从几米到数千公里。

     (2)从速度上看：在短距离内,并行接口的数据传输速度要比串行接口的传输速度高的多。

     (3)从设备、费用上看：对于远距离通信而言，串行通信的费用显然比较低

异步通信ASYNC和同步通信SYNC

在串行通信中有两种基本的通信方式：异步通信ASYNC和同步通信SYNC

异步通信

   在异步通信中，CPU与外设之间有两项约定：

   (1)字符格式---字符的编码形式及规定，每个串行字符由以下四个部分组成：

      ⑴ 1个起始位，低电平；

      ⑵ 5--8个数据位；

      ⑶ 1个奇偶校验位；

      ⑷ 1--2个终止位(停止位)高电平； 

   (2)波特率

      波特率是指单位时间内传送二进制数据的位数,以位/秒位单位，它是衡量串行数据

    传送速度快慢的重要标志和参数。

    例如：假如数据出送速率是120位/秒，则传送的波特率为：120波特。

    注意：异步通信的传送速度一般在50波特-----19200波特之间。

同步通信

   在异步通信中，每个字符要用起始位和终止位作为字符开始和结束的标志，占用了一些时间，为了提高数据块的传送速度，就要设法去掉这些标志，就采用同步通信。

   同步通信的速度可达500千波特。但是它的硬件电路比较复杂。

RS--232C串行接口

   一个完整的串行通信系统包括数据终端设备(DTE)和数据通信设备(DCE)，如下图所示：

   (1)数据终端设备DTE(Data Terminal Equipment)。

      DTE是产生二进制信号的数据源，也是接收数据的目的，是由数据发送器或接收器

      或者具有两者组成的设备，它可以是一个计算机。

   (2)数据通信设备DCE(Data Communication Equipment)。

      DCE是一个使传输信号符合线路要求，或者满足DTE要求的信号匹配器。

      例如：MODEM就是DCE设备。

   在DTE与DCE之间传输的是“1”或“0”的数据，同时传送一些控制应答信号。

   RS--232C是由美国电子工业协会推荐的标准接口，它是应用于串行二进制交换的数据通

   信设备和数据终端设备之间的标准接口。

   RS--232C标准的电器特征：

   (1)数据"0"("空号",space)及控制线的接通状态规定为  +3V ---- +15V；

   (2)数据"1"("传号",mark)及控制线的断开状态规定为   -3V ---- -15V；

   (3)噪声容限为   ±(3--5)V；

   (4)当输入恰好为 ±3V时,分别确定为空号和传号,当输入端开路时,终端定为传号.

可编程通信接口8251A

Inter8251A USART是用同步/异步接收发送器,是专为Intel微处理器设计的，可作CPU和串行外设的接口电路。

8251A的基本性能

   可编程通信接口8251A的基本性能如下：

   (1)可用于同步和异步传送；

   (2)同步传送：5--8bit/字符内部或外部字符同步化，自动插入同步字符；

   (3)异步传送：5--8bit/字符，时钟速率为通信波特的1、16或倍；

(4)可产生中止字符(Break Character),可产生1、1.5或2位的停止位；

   (5)波特率：   DC---19.2K(异步)；DC--K(同步)；

   (6)完全双工、双缓冲器发送器接收器；

   (7)误差检测---具有奇偶、溢出和帧错误等检测电路。

   关于8251A的结构和引脚功能，请大家参照有关书籍。

8251A的初始化

   8251A的各种工作方式及工作进程都是用初始化及实时控制实现的。8251A的初始化编程分为两部分：方式指令和命令指令。

方式指令

   方式指令字是指定为异步工作时的各位定义。如下表：

     S---停止位的位数；EP---偶校验产生/检查；PEN---奇偶校验；

      L---字符长度；B---波特率因子

命令指令字

   命令指令字的格式如下表：

方式指令与命令指令都是由CPU作为控制字写入的。

串口通讯—异步通信方式

　　串行通信可以分为两种类型：同步通信、异步通信。

　　1.异步通信的特点及信息帧格式： 

　　以起止式异步协议为例，下图显示的是起止式一帧数据的格式： 

　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　图1 

　　起止式异步通信的特点是：一个字符一个字符地传输，每个字符一位一位地传输，并且传输一个字符时，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。每一个字符的前面都有一位起始位（低电平，逻辑值），字符本身由5-7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），最后是一位或一位半或二位停止位，停止位后面是不定长的空闲位。停止位和空闲位都规定为高电平（逻辑值１），这样就保证起始位开始处一定有一个下跳沿。

　　从图中可看出，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，故称为起止式协议。 

　　异步通信可以采用正逻辑或负逻辑，正负逻辑的表示如下表所示：

　　例：传送8位数据45H（0100,0101B），奇校验，1个停止位，则信号线上的波形象图2所示那样：异步通信的速率：若9600bps，每字符8位，1起始，1停止，无奇偶，则实际每字符传送10位，则960字符/秒。 

　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　图2

2.异步通信的接收过程

　　接收端以“接收时钟”和“波特率因子”决定一位的时间长度。下面以波特率因子等于16（接收时钟每16个时钟周期，使接收移位寄存器移位一次）、正逻辑为例说明，如图3所示。

　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　图3

　　（1）开始通信时，信号线为空闲（逻辑1）,当检测到由1到0的跳变时，开始对“接收时钟”计数。　

　　（2）当计到8个时钟时，对输入信号进行检测，若仍为低电平，则确认这是“起始位”B，而不是干扰信号。

　　（3）接收端检测到起始位后，隔16个接收时钟，对输入信号检测一次，把对应的值作为D0位数据。若为逻辑1, 作为数据位1；若为逻辑0，作为数据位0。

　　（4）再隔16个接收时钟，对输入信号检测一次，把对应的值作为D1位数据。….，直到全部数据位都输入。

　　（5）检测校验位P（如果有的话）。

　　（6）接收到规定的数据位个数和校验位后,通信接口电路希望收到停止位S(逻辑1)，若此时未收到逻辑1，说明出现了错误，在状态寄存器中置“帧错误”标志。若没有错误，对全部数据位进行奇偶校验，无校验错时，把数据位从移位寄存器中送数据输入寄存器。若校验错，在状态寄存器中置奇偶错标志。

　　（7）本幀信息全部接收完，把线路上出现的高电平作为空闲位。

　　（8）当信号再次变为低时，开始进入下一幀的检测。

　　3、异步通信的发送过程

　　发送端以“发送时钟”和“波特率因子”决定一位的时间长度。

　　（1）当初始化后，或者没有信息需要发送时，发送端输出逻辑1，即空闲位，空闲位可以有任意数量。

　　（2）当需要发送时，发送端首先输出逻辑0，作为起始位。

　　（3）接着，发送端首先发送D0位，直到各数据位发送完。

　　（4）如果需要的话，发送端输出校验位。

　　（5）最后，发送端输出停止位（逻辑1）。

　　（6）如果没有信息需要发送时，发送端输出逻辑1，即空闲位，空闲位可以有任意数量。如果还有信息需要发送，转入第（2）步。

　　对于以上发送、接收过程应注意以下几点：

　　（1）接收端总是在每个字符的头部（即起始位）进行一次重新定位，因此发送端可以在字符之间插入不等长的空闲位，不影响接收端的接收。

　　（2）发送端的发送时钟和接收端的接收时钟，其频率允许有一定差异，当频率差异在一定范围内，不会引起接收端检测错位，能够正确接收。并且这种频率差异不会因多个字符的连续接收而造成误差累计（因为每个字符的开始（起始位处）接收方均重新定位）。只有当发送时钟和接收时钟频率差异太大，引起接收端采样错位，才造成接收错误。

　　（3）起始位、校验位、停止位、空闲位的信号，由“发送移位寄存器”自动插入。在接收方，“接收移位寄存器”接收到一帧完整信息（起始、数据、校验、停止）后，仅把数据的各位送至“数据输入寄存器”，即CPU从“数据输入寄存器”中读得的信息，只是有效数字，不包含起始位、校验位、停止位信息。

“模拟”和“数字”

　　所谓“模拟”，是指把某一个量用与它相对应的连续的物理量来表示；所谓“数字”，是指把某一个量用与它相当的离散的（不连续的）数字来表示。以用于计时的钟表为例，指针式钟表是以指针的连续走动指示时间，所以它是一种“模拟”方式；相反，数字式钟表每隔一定时间跳一个数，是一种非连续计时方式，即“数字”方式。

　　电信是用电信号进行远距离传递信息的过程。这个过程的主要内容就是首先要把信息转变成电信号，然后再通过有线或无线方式传送出去。电信号有两种不同的类型，一种叫做“模拟信号”，另一种叫做“数字信号”。

　　什么叫“模拟信号”？以电话为例加以说明。在电话通信中，传送的信息是发话人（信源）的声音。声音是由振动发出的。声波通过送话器（变换器）转变成跟随声音的强弱变化而变化的电信号，由于该信号是“模拟”声音变化的，因此叫做“模拟信号”。这个模拟信号通过线路（信道）传送到对方，再通过受话器（反变换器）转变为原来的声音，为受话人（信宿）所听到。

　　模拟信号的特点是它连续地“模拟”着信息的变化，信号的波形在时间上是连续的，所以又可称之为“连续信号”。原始的电话、传真、电视的信号都是模拟信号。用模拟信号传送信息的通信叫做“模拟通信”。

　　“数字信号”是什么？这可以用电报通信为例来说明。早期的莫尔斯电报，其电报信号是用“点”和“划”组成的电码（叫做莫尔斯电码）来代表文字和数字。如果用有电流代表“1”、无电流代表“0”，那么“点”就是1、0，“划”就是1、1、1、0。莫尔斯电码是用一点一划代表A，用一划三点代表B，所以A就是101110，B就是1110101010……。

　　数字信号是数字形式的信号，它的特点是离散的、不连续的。用数字信号传送信息的通信就叫做数字通信，现代电子计算机输入、输出的信号以及它所处理的信号都是离散信号，是速率非常高的数字信号。所以计算机之间的通信也是数字通信。 数字通信可以传送符号、数字、数据等数字信号。也可以传送经数字化处理后的话音、图像等模拟信号。模拟信号转变为数字信号的过程叫做“模数变换”； 相反，数字信号转变为模拟信号的过程称“数模变换”。

关于调制解调器的问答（二） 

博正 

　　一、串行传送和并行传送有什么区别？

　　串行传送和并行传送的区别是对于要传送的数据是一位一位地传送，还是若干位（通常是一个字节，即8位）同时传送。因为计算机中的数据以字节为单位进行存储，所以在并行传送时，一般一次传送一个字节。而采用串行传送时，必须先进行并串转换，然后再一位一位地传送。显然，并行传送的速率要比串行传送要高。但是，由于并行传送要求有多条线路，因此当传送距离稍远一点时，就变得很不实际了。所以在一般情况下，只采用串行传送。

　　一般的微型计算机都提供外接的串行接口和并行接口。调制解调器一般接到串行接口上，其他常见的外设，如鼠标器、扫描仪、绘图仪等，也通过串行接口接入。只有打印机采用并行接口。

　　二、什么是同步通信？什么是异步通信？

　　在串行通信中，由于是一位一位地进行数据传送。为了把每个字节区别开来，需要收发双方在传送数据的串行信息流中，加入一些标记信号位。根据所添加的标记信号位的不同方式，分成同步通信和异步通信两种。

　　异步通信在添加标记信号位时，把所传送的数据以字节为单位。每个字节前加上一位起始位，每个字节的后面加上停止位，停止位可以是1位、1．5位或2位。有时，还要加上一位奇偶检验位。

　　1（起始位）＋2（停止位）＋1（奇偶校验位）Κ4位标记信号位。这样，异步通信方式的效率就比较低。

　　同步通信是把所传送的数据以多个字节（100字节以上）为单位，在其前后添加标记信号。可见，同步通信效率较高。一般高速数据通信都采用同步通信。

　　三、rs—232接口包拉什么内容？

　　rs—232接口是美国电子工业协会（electronicindustriesassociation，eia）制定的，它规定了数据终端设备dte和数据电路设备dce之间如何进行连接。rs代表推荐标准，232是一个编号。调制解调器和微型计算机之间的连接都是经过rs—232接口实现的。

　　rs—232接口标准主要包括以下4个方面的内容：

　　1、机械特性规定了接口的形状和尺寸、引线数目多。例如，rs—232接口有25针，分上下两排排列。

　　2、电气特性规定了多条线路电平电压的范围。例如，rs—232接口用低于—3v的电压表示“1”，用高于4v的电压表示“0”。

　　3、功能特性规定了每条线的连接方法及其信号的意义。

　　4、规程特性规定了各种可能事件的出现时序。

　　四、rs—232接口是如何工作的？

　　下面以发送数据为例，说明rs—232接口的工作过程：

　　1、建立通信链路

　　当dte（即微型计算机）要发送数据时，把cd线置成“0”（高电平），通知dce（即调制解调器），计算机已处于通信就绪状态。调制解调器响应该信号，把cc线置为高电平来回答计算机，调制解调器已接入远程通信线路，准备好通信。

　　计算机得到调制解调器的响应信号后，把ca线置成高电平，通知调制解调器，它请求发送数据。调制解调器收到该信号后，通过电话线，给另一端的调制解调器发出载波信号，通知它准备按收数据；同时把cb线置成高电平，通知计算机准备发送数据。远程的调制解调器检测到载波信号之后，把cf线置成高电平，通知远程计算机准备接收数据。

　　2、进行数据通信

　　本地计算机发现cb线为高电平之后，通过ba线发送数据，并用ca线接收远程计算机发来的数据。

　　3、释放通信链路

　　本地计算机发完数据之后，把ca线置成低电平，通知本地调制解调器数据发送完毕。本地调制解调器发现ca线变成了低电平后，停止向电话线发送载波；同时把cb线置成低电平作为回答。远程调制解调器检测不到载波后，把cf线置成低电平，恢复为初始状态。

　　本地计算机得到本地调制解调器的回答之后，置cd线为低电平，通知本地调制解调器拆线。本地调制解调器检测到cd线为低电平后，将其cc线置为低电平，同意拆除电路。到此，全部恢复成初始状态。

　　五、v．24建议起什么作用？

　　v．24是国际电信联盟itu的前身，国际电话电报咨询委员会ccitt制定的协议标准，和rs—232协议兼容，定义了dte和dce之间接口线的功能，这里信号是经过模拟信道传送。

　　v．24定义了100系列和200系列两种接口线。100系列接口线用于完成dte／dce之间的数据的发送、接收、定时及各类状态信号和控制信号进行交换所需的接口线，共39条。但在实际应用中一般少于10条。200系列接口线用于完成自动呼叫功能，有13条接口线，当不需要进行自动呼叫时，可不使用。近年来，itu为了完善自动呼叫功能，还发表了v．25bis建议。