#C0308
沧海茫茫千钟粟，且拾吾昧一微尘
——《沧海拾昧集》@CuPhoenix
【阅前敬告】
沧海拾昧集仅做个人学习笔记之用，所述内容不专业不严谨不成体系
如有问题定为本集记录有谬，切勿深究
引子：串行通信技术
1、串行通信的优势
| 优点 | 缺点 |
|---|---|
| 通信线路简单，适于远距离传输 抗干扰能力强，通信费用低 传输线既传数据，又传联络信号 | 传输速度慢 需要串并转换 对数据格式有要求 |
2、异步通信协议
- 串行通信时的数据、控制和状态信息都使用同一根信号线传送。
- 收发双方必须遵守共同的通信协议（通信规程），才能解决传送速率、信息格式、位同步、字符同步、数据校验等问题。
- 串行异步通信以字符为单位进行传输，其通信协议是起止式异步通信协议。
| 起始位 | 数据位 | 校验位 | 停止位 | ||
|---|---|---|---|---|---|
| 0 | 0/1 | ··· | 0/1 | 0/1 | 1 |
- 起始位：字符开始传送的标志，采用逻辑0电平；
- 数据位：数据位紧跟着起始位传送。由5～8个二进制位组成，低位先传送；
- 校验位：用于校验是否传送正确；可选择奇检验、偶校验或不传送校验位；
- 停止位：表示该字符传送结束。停止位采用逻辑1电平，可选择1、1.5或2位；
- 空闲位：不传输信息时，为逻辑1电平；
3、波特率
每秒钟传送的二进制数据位数称为波特率，单位为波特（bps）。在串行通信中，利用波特率来表示数据传送的速率。 异步串行传送常用的波特率为110，300，600，1200，2400，4800，9600，19200，28800，36400，57600波特。同步传送的波特率高于异步传送的波特率。
4、异步通信方式
异步通信要求在发送每一个字符时都要在数据位的前面加上1位起始位，在数据位后面要有1位或1．5位或2位的停止位。在数据位和停止位之间可以有1位校验位，数据位可以为5-8位长。字符之间允许有不定长度的空闲位。
传送开始后，接收设备不断地检测传输线，当在测到一系列的“1”之后检测到一个“0”，就确认一个字符开始，于是以位时间(1/波特率)为间隔移位接收规定的数据位和奇偶校验位，拼装成一个字符的并行字节。这之后应接收所规定位长的停止位“1”，若没有收到即为“帧出错”。
只有既无帧出错又无奇偶错才算正确地接收到一个字符。一个字符接收完毕，接收设备又继续测试传输线，监视“0”电平的到来和下一字符的开始。
示例：设数据传送的速率为120字符/秒，每个字符8个数据位，采用1位停止位，无校验
传送的波特率为：10 × 120 = 1200 bps
5、数据传送方式
| 单工方式 | |
|---|---|
| 半双工方式 |  |
| 半双工方式 |  |
6、信号传输方式
- 基带传输方式：在传输线路上直接传输不加调制的二进制信号。它要求传送线的频带较宽，传输的数字信号是矩形波。由于线路中存在着电感、电容及漏电感、漏电容等分布参数，矩形波通过传输线后会发生畸变、衰减和延迟而导致传输的错误。信号的频率越高、传输的距离越远这种现象则越严重，因此基带传输方式仅适宜于近距离和速度较低的通信。
- 频带传输方式：频带传输方式又称为载波传输方式。在远距离通信时，通常是利用电话线传输的。电话线的频带在300HZ-3400HZ之间，由于频带不宽，用它来直接传输数字信号时，就会出现畸变失真，但用它来传送一个频率为1000Hz-2000Hz的模拟信号时，则失真较小。
一、串行接口标准
串行接口标准指的是计算机或终端（数据终端设备DTE）的串行接口电路与调制解调器MODEM等（数据通信设备DCE）之间的连接标准。在计算机网络中，由它构成网络的物理层协议。
常用标准：RS-232C接口、RS-422A接口、RS-485接口、USB接口
1、RS-232C标准
- 设计目的：连接调制解调器；
- 功能：可实现远距离通信，也可近距离连接两台微机；
- 所在层次：物理层。
- 接口电平：EIA电平（逻辑1为 -3V ~ -15V，逻辑0为 +3V ~ +15V）
2、RS-232C引脚定义
- 完全版标准：使用25针连接器（DB25）；
- 一般设备：只用其中9个信号，使用9针连接器（DB9）即可；
- 信道：两个信道，一主一次（次信道为辅助串行通道提供数据控制和通道，传输速率比主信道低得多）；
| 引脚缩写 | 引脚名称 | 功能 |
|---|---|---|
| TxD | 发送数据 | 串行数据的发送端 |
| RxD | 接收数据 | 串行数据的接收端 |
| TxC | 发送器时钟 | 控制数据终端发送串行数据的时钟信号 |
| RxC | 接收器时钟 | 控制数据终端接收串行数据的时钟信号 |
| RTS | 请求发送 | 数据终端设备准备好送出数据，发出有效的RTS信号 用于通知数据通信设备准备接收数据 |
| CTS | 清除发送（允许发送） | 数据通信设备准备好接收数据终端设备的传送数据时 发出CTS有效信号来响应RTS信号 |
| DTR | 数据终端准备好 | 当数据终端设备一加电，该信号就有效 表明数据终端设备准备就绪 |
| DSR | 数据装置准备好 | 表示数据通信设备已接通电源连到通信线路上 处在数据传输方式 |
| GND | 信号地 | 为所有的信号提供一个公共的参考电平 |
| CD | 载波检测 | 本地调制解调器接收到来自对方的载波信号时 该引脚向数据终端设备提供有效信号 |
| RI | 振铃指示 | 调制解调器接收到对方的拨号信号期间 该引脚信号作为电话铃响的指示、保持有效 |
3、RS-232C的连接
- 远距离通信：利用232C接口连接调制解调器，调制解调器连接电话线路进行通信；
- 短距离通信：不使用调制解调器，直接连接，又称零调制解调器连接；通信时RTS和CTS各自互接，DTR和DSR各自互接，表明请求传送总是允许、数据装置总准备好。（如果互接通信比较可靠，但不经济）
二、Inter 8251A芯片
1、8251A的基本功能
- 可以选择工作方式。同步方式波特率为0~64K，异步方式波特率为0~19.2K。
- 在同步方式下，每个字符可以用5 ~ 8位来表示，并且内部能自动检测同步字符，从而实现同步。除此之外，8251A也允许同步方式下增加奇/偶校验位进行校验。
- 在异步方式下，每个字符可以用5 ~ 8位来表示，时钟频率为传输波特率的1、16或64倍，用1位作为奇/偶校验。此外，8251A在异步方式下能自动为每个数据增加1个启动位，并能根据编程为每个数据增加1个、1．5个或2个停止位。同时，可以检查假启动位，自动检测和处理终止字符。
- 全双工的工作方式，其内部提供具有双缓冲器的发送器和接收器。
- 提供出错检测，具有奇偶、溢出和帧错误等校验电路。
2、8251A的内部结构
- 发送器
由发送缓冲器和发送控制电路两部分组成。
当发送器中发送缓冲器已空（即可接收数据），由发送控制电路向CPU发出TxRDY有效信号，如果CPU与8251A之间采用中断方式交换信息，那么TxRDY可作为向CPU发出的中断请求信号。此时，CPU可向8251A输出数据。CPU送出的数据经数据总线缓冲器并行输入锁存到发送缓冲器中。
采用异步方式传输，则由发送控制电路在其首尾加上起始位和停止位，经移位寄存器从数据输出线TxD逐位串行输出，其发送速率取决于TxC端收到的发送时钟频率。
采用同步方式传输，则在发送数据之前，发送器将自动送出1～2个同步字符（对应内同步方式）或在收到有效的同步信号（对应外同步方式）后，才逐位串行输出数据。
当发送器中的数据发送完，由发送控制电路向CPU发出TxE有效信号，表示发送器中移位寄存器已空。因此，发送缓冲器和发送移位寄存器构成发送器的双缓冲结构。
- 接收器
接收器由接收缓冲器和接收控制电路组成。接收移位寄存器用来从RxD引脚上接收串行数据，按照相应格式转换成并行数据后存入接收缓冲器。而接收控制电路则配合接收缓冲器工作，管理有关接收的所有功能。
当8251A工作在异步方式并准备接收一个字符时：①在RxD线上检测低电平，将检测到的低电平作为起始位；②启动接收控制电路中的一个内部计数器进行计数，计数脉冲就是8251A的接收器时钟脉冲；③当计数进行到相应于半个数位传输时间（比如时钟脉冲为波特率的16倍，则计到第8个脉冲）时，再对RxD线进行检测，如果此时仍为低电平，则确认收到一个有效的起始位。
然后，8251A开始进行常规采样，数据进入接收移位寄存器完成字符装配，并进行奇偶校验，然后，送入接收缓冲器，同时向CPU发出RxRDY信号，表示已经收到一个可用的数据，通知CPU来取数。如果CPU与8251A之间采用中断方式交换信息，那么RxRDY可作为向CPU发出的中断请求信号。
- 数据总线缓冲器
数据总线缓冲器是8251A与CPU之间进行交换信息的必经之路，或者说它是CPU与8251A之间的数据接口。CPU从8251A读取的数据或状态信息，及写入的数据或控制字都经由数据总线缓冲器完成。
- 读／写控制电路
| CS* | C / D* | RD* | WR* | 相应的操作 |
|---|---|---|---|---|
| 0 | 0 | 0 | 1 | CPU从8251A输入数据 |
| 0 | 0 | 1 | 0 | CPU从8251A输出数据 |
| 0 | 1 | 0 | 1 | CPU读入8251A的状态 |
| 0 | 1 | 1 | 0 | CPU往8251A写入控制命令 |
- 调制解调控制电路
调制解调控制电路提供了一组通用的控制信号，用来完成8251A和调制解调器的连接。包括DTR*、DSR*、RTS*、CTS*。
3、8251A的引脚
连接CPU：
- D7~D0：数据总线，用于连接CPU；
- WR*：输入，低电平有效，CPU输出数据时有效；
- RD*：输入，低电平有效，CPU输入数据时有效；
- C/D*：输入，数据/控制信息选择引脚，低电平时传输数据，高电平时传输控制信息；
- CS*：输入，低电平有效，有效时芯片才工作；
- TxRDY：发送器准备好信号，既可作为中断请求信号也可作为查询信号；
- TxE：发送器空信号；
- RxRDY：接收器准备好信号，既可作为中断请求信号也可作为查询信号；
- SYNDET：同步检测信号，只用于同步方式。外同步时是输入信号，内同步时是输出信号；
- RESET：复位信号输入，高电平有效
连接外设：
- RxD：接收数据引脚；
- TxD：发送数据引脚；
- DTR*：数据终端准备好信号，由825lA送往外设，低电平时有效。CPU可以通过控制命令使有效，从而通知外部设备，CPU当前已经准备就绪；
- DSR*：数据设备准备好信号，由外设送往8251A。该信号低电平时有效，用来表示当前外设已经准备好。当其出现低电平时，8251A状态寄存器的第7位自动置1，CPU可以通过读状态寄存器的操作，实现对该信号的检测。
- RTS*：请求发送信号 由8251A送往外设，低电平时有效，表示CPU已经做好发送准备。CPU可以通过编程命令使RTS变为有效电平；
- CTS*：允许发送信号 是对RTS的响应，由外设送往8251A。只有当 CTS为低电平时，8251A才能执行发送操作。
注：实际使用时，CTS*必须为低，其余三个联络信号可以悬空。
其他引脚：
- CLK：工作时钟输入，用来产生芯片的内部时序，要求CLK的频率
- 在同步方式下，大于TxC /RxC的30倍；
- 在异步方式下，大于TxC /RxC的4.5倍
- VCC：电源；
- GND：地；
- TxC：发送器时钟输入；
- RxC：接收器时钟输入；
注：在异步方式下，时钟频率可以为字符传输波特率的x1 / x16 / x64，决定于初始化编程指定的波特率因子。
三、Inter 8251A的初始化编程
1、方式选择控制字（模式字）
写入控制端口（奇地址），用来确定8251A的工作方式、数据格式、校验方法等。
2、操作命令控制字（控制字）
写入控制端口（奇地址），其作用是使8251A处于某种工作状态，以便接收或发送数据。
异步方式下通常写37H。
3、状态字
从奇地址端口读取。
4、初始化流程
- 芯片复位后，第一次往控制端口写入的是方式选择控制字（模式字）；
- 如果在方式选择控制字中，规定8251A是同步工作方式，则接下来向控制端口写入1个或2个字节就是同步字符，同步字符被写入同步字符寄存器；
- 不管是在同步方式还是在异步方式下，接下来由CPU往控制端口写入的是操作命令控制字即控制字，如果规定是内部复位命令，则转去对芯片复位，重新初始化。否则，进入应用程序，通过数据端口传输数据。
敬谢诸君。
金陵钟山之阳。