第八章 串行输入 /输出接口
? 概述
? 串行通信的实现
? 串行通信的基本术语
? 可编程串行通讯接口芯片 8251A简介
? 串行通信 RS－ 232C
? USB总线简介
8.1 概述
一、串行数据
计算机与外部信息交换方式有两种，
一种是并行通信，另一种是串行通信。
并行通信时，数据各位同时传送。而串
行通信时，数据和控制信息是一位接一
位串行地传送下去。这样，虽然速度会
慢一些，但传送距离比并行通信长，硬
件电路也相应简单些。
现在的台式 PC机一般至少有两个 RS－ 232串
行口 COM1和 COM2，通常 COM1使用的是 9针 D形连
接器，而 COM2使用的是老式的 DB25针连接器。
二,串行通信的实现
1、并行通信和串行通
信的特点：
串行通信是逐位传送数据，
所以一个多位数据需要
多次传送。比如一个 8位
的字节型数据至少需要 8
次传送。它有如下特点：
? 速度较慢；
? 引线少；
? 距离长。
计算机 外设
TXD
RXD
TXD
RXD
2、串行通信的硬件条件
在硬件上，串行通信系统的核心部件
是移位寄存器，其中在发端要有一个
并入串出移位寄存器，在收端要有一
个串入并出移位寄存器。
D Q D Q
CLK
D Q
CLK
??
??
D 0D 6
并入串出移位寄存器
D Q D Q
CLK
D Q
CLK
??
??
D 7D 1
并出串入移位寄存器
3、串行通信的同步
为了可靠的串行通信，同步信号起到至关
重要的作用。在理想情况下，同步信号应
该在数据信号线上出现有效数据期间的中
心点有效，因为这时数据线上的数据是最
稳定的。 D 7 D 6 D 5 D 4 D 3 D 2 D 1 D 0
同步脉冲
但在典型的串行通信系统中，是不
存在同步信号线的！如何实现串行通信
的中数据传送的同步呢？系统从软件和
硬件两方面采取了如下三个措施：
（ 1） 设置波特率波特率是指单位时间内传
送的位数，单位是比特 /秒。
（ 2）设置数据的传送格式，一般地串行通信
在传送数据时，并不是单纯地传送数据位
信息。为了使数据传送可靠，还设定了其
他一些辅助位。
（ 3） 设置波特率因子
在异步通信方式进行通信时, 发送端需
要用时钟来决定每 1位对应的时间长度, 接
收端也需要用一个时钟来测定每 1位的时间
长度, 前一个时钟叫发送时钟, 后一个时
钟叫接收时钟 。 这两个时钟的频率可以是
波特率的数倍, 一般取 16倍, 32倍或 64倍 。
这个倍数就称为波特率因子 。
8.2 串行通信的基本术语
一、串行通信方式
1,异步通讯
异步通信是指以字符为单位传送数据，
用起始位和停止位标识每个字符的开始和
结束字符，两次传送时间隔不固定。
2,同步通信
异步通讯为了可靠地传送数据，在每
次传送数据的同时，附加了一些标志位。
在大量数据传送时，为了提高速度，就去
掉这些标志，这就是同步通讯。采用同步
传送，在数据块开始处要用同步字符来指
示，并在发送端和接收端之间要用时钟来
实现同步。
二、串行通讯中的
数据传送方向
1,半双工
每次只能有一个
站发送。
2、完全双工
两个站都能同时
发送称完全双工。
三、异步接收 /发送器（ UART）
串行接口的基本结构主要是异步接收 /
发送器（ UART），它不仅包括并行数据
和串行数据之间的相互转换，还有检测
串行通信在传送过程中可能发生错误的
逻辑部件。
四、信号的调制和解调
由于模拟信号的传输比数字信号传
输更为有效，因而可将数字信号调制成
模拟信号进行传输，用解调器把接收的
模拟信号再转换成数字信号。
8.3 可编程串行通讯接口芯片 8251A简介
8251A芯片是 INTEL公司生产的大规模集成
电路芯片，是与 INTEL系列 CPU兼容的可编程的
串行通讯接口。虽然 8251A功能较强，但它需
要外部时钟电路。因此采用 8251A作为接口电
路时需要比较复杂的外围电路。而目前流行的
单片机如 MCS51系列,CPU内部就集成了串行接
口部件及定时器 /计数器，几乎不需要外围辅
助电路，使用起来非常简单，性能价格比很高，
因此现在越来越多的数字化仪器仪表电路中不
再采用 8251A而是使用单片机作为串行通信接
口了。
一、主要基本性能
1,可用于同步和异步传送
2,波特率,DC－ 19.2K(异步 )； DC－
64K(同步 )。
3,完全双工，双缓冲发送和接收
4,与 8080/8085CPU完全兼容
二、内部结构
发送和接
收电路
调制解调
控制电路
总线接
口部分
8.4 串行通信接口 RS－ 232C
一,RS－ 232C电器特性及接口信号
1．电气特性
在数据线 TXD和 RXD上：
逻辑 1=－ 3V～－ 15V
逻辑 0=＋ 3V～＋ 15V
在控制线和状态线 RTS,CTS、
DSR,DTR和 DCD上：
信号有效＝＋ 3V～＋ 15V
信号无效＝－ 3V～－ 15V
2,RS－ 232C与 TTL转换
RS－ 232C是用正负电压来表示逻辑状态，
与 TTL以高低电平表示逻辑状态的规定不同。
因此，为了能够使计算机接口与终端的 TTL器
件连接，必须在 RS－ 232C与 TTL电路之间进行
电平和逻辑关系变换。
3,RS-232C的接口信号
可以用电缆线直接连接标准 RS232端口，
但通信距离较近 (<12m)。若 距离较远，
可附加调制解调器（ MODEM）。 RS－ 232C
规标准接口有 25条线，最常用的信号线
有 9根。
二,RS－ 232C应用举例
1,RS－ 232C串口通信接线方法（三线制）
RS-232 MAX232 MCS51
TXD
RXD
TXD
RXD
2,BIOS串行通信口功能
IBM PC及其兼容机提供了比较灵活
的关于串行口的 BIOS中断调用方法,
即通过 INT 14H调用 ROM BIOS串行通
信口例行程序 。 该例行程序包括将
串行口初始化为指定的字节结构和
传输速率, 检查控制器的状态, 读
写字符等功能
3．举例
设通信双方有一台计算机为 PC机, 使用
COM1端口 。 在串行通信中, 必须首先设定通
信双方所使用字符串的数据结构, 才能进行
软件编程 。 这里我们设数据在接收和发送的
字符串中, 序号为 0的字节为数据长度, 其
后的字节为所接收的数据 。
接收数据子程序：
receive proc far ；这是接收数据子程序,；出口 AL,AH
rec_check,mov ah,3 ；读通讯口状态字
mov dx,0
int 14h
test ah,20H ；测试数据准备好位
jz rec_check ；数据未准备好, 再读状态字
mov ah,2 ；读通信端口数据
mov dx,0
int 14h
ret
receive endp
发送数据子程序：
send proc far ;这是发送数据子程序,;输入参数,AL,输出参数,AL,AH
push ax
send_check,mov ah,3 ；读通讯口状态字
mov dx,0
int 14h
test ah,20h ；测试, 发送保存寄存器空, 位
jz send_check ；发送保存寄存器满, 再读状态字
pop ax
mov ah,2 ；发送数据
mov dx,0
int 14h
ret
send endp
8,5 USB总线简介
一,USB的定义
USB是 Universal Serial Bus的缩写,
中文意思就是“通用串行总线”,是
连接有 USB接口的计算机外围设备到计
算机的一种计算机外部总线结构
二,USB的开发背景
制定了 USB的规范：
1,连接 PC与电话 。
2,Plug-and-Play （ 即插即用 ） 。
3．端口扩展。 USB提供双向低成本低速到中
速 (USB 2.0 可达 480Mb/s)的通用外设总线适
用于连接各种各样的外设并且易于扩展。
三,USB的变革
至目前为止,USB共经历以下几次重大变革：
0.7版本 于 1994年 11月 11日发布。是 USB的最早版本。
1.0版本 于 1995年 11月 13日制定发布了,规定 USB具有 2
种传输速度 Low-speed 1.5Mb/s,Full-speed
12Mb/s。
1.1版本 于 1998年 9月 23日制定了 1.1规格版本,速度不
变。
2.0 (草案 )版本 于 1999年 10月 5日发布。制定了 High-
speed的概念，规格 。
2.0版本 于 2000年 4月 27日发布。
四,USB系统拓扑结构
五,USB的特点
1,USB为所有的 USB外设提供了单一的、易于
操作的标准的连接类型。
2,USB整个的系统只有一个端口和一个中；
3,USB支持热插拔 (hot plug)；
4,USB支持 PNP；
5,USB在设备供电方面提供了灵活性；
6,USB提供全速 12Mbps的速率和低速 1.5Mbps
的速率来适应各种不同类型的外设； USB2.0
还支持 480Mbps 的高速传输速率；
7,USB2.0的 High-speed模式支持音频和视频设
备, 可以保证其固定带宽；
8,为了适应各种不同类型外围设备的要求 USB
提供了四种不同的数据传输类型：控制传输,
Bulk数据传输, 中断数据传输, 同步数据传输 。
同步数据传输可为音频和视频等实时设备的实
时数据传输提供固定带宽 。
9,USB 的端口具有很灵活的扩展性 。 一个 USB
端口串接上一个 USB Hub 就可以扩展为多个
USB端口 。 规范中说, USB可以扩展到 127个外
设端口 。
六,USB工作原理
1,NRZI编码
2、分组传送
USB技术和 IP技术一样，都是基于分组传送
方式的。对 USB总线来讲，当要传送一个文件
时，程序按照 USB协议，首先把数据分成若干
块，然后在每块数据前面添上同步信号、包标
识，后面添上 CRC校验，就形成了 USB封包。一
个文件可能可能有多个封包。全速 USB总线把 1
毫秒作为一个时间帧，总线在一个帧内依次传
送不同文件的封包。因此从宏观上，就仿佛总
线同时对不同的 USB外设进行数据传送。
3,USB封包
根据信息包所实现的功能可分为 3种类型：
令牌包、数据包和握手包。
令牌包定义了数据传送的类型。比如图
所示。
七,USB传输方式
1,USB的四种传输方式
（ 1） 同步 (isochronous)方式传输 同步传输
提供了确定的带宽和间隔时间, 以固定的传
输速率,连续不断地在主机与 USB 设备之间
传输数据,在传送数据发生错误时,USB并不
处理这些错误,而是继续传送新的数据, 它
被用于时间严格并具有较强容错性的流数据
传输或者用于要求恒定的数据传输率的即时
应用中 。
（ 2） 中断传输方式 (Interrupt) 该方式传送的数
据量很小,但这些数据需要及时处理,以达到实
时效果 。 此方式主要用于定时查询设备是否有
中断数据要传输 。
（ 3） 控制传输方式 (Control) 控制传输是双向传
输, 数据量通常较小, 用来处理主机到 USB设
备的数据传输 。 包括设备控制指令, 设备状态
查询及确认命令 。
（ 4） 批 (Bulk)传输方式 主要应用在数据大量传
输和接受数据上, 同时又没有带宽和间隔时间要求的情况下, 要求保证传输正确无误的数据 。
2,USB设备类型
八,USB设备列举
在 USB规范中有一个非常重要的, 动
作, 或, 过程, 。这个动作将会让 PC机
知道何种 USB设备刚接上以及其所含的各
种信息。这样,PC机就可以与这个 USB设
备开始进行数据传输的工作了。这个动
作称之为设备列举 (enumeration)。
1,USB描述符
在设备列举过程中,USB设备向主机传
送了一个重要的信息，使主机知道了这
个设备是, 谁,,并启动了该设备的驱
动程序。这个信息就是 USB描述符
2、设备列举
设备列举包含两方面的功能，一是主
机搜集 USB设备的信息，也就是 USB描述
符。另一个是主机根据 USB描述符对设备
进行配置，比如 USB设备地址设置,USB
设备各端点数据传输方式设置。
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? 串行通信的实现
? 串行通信的基本术语
? 可编程串行通讯接口芯片 8251A简介
? 串行通信 RS－ 232C
? USB总线简介
8.1 概述
一、串行数据
计算机与外部信息交换方式有两种，
一种是并行通信，另一种是串行通信。
并行通信时，数据各位同时传送。而串
行通信时，数据和控制信息是一位接一
位串行地传送下去。这样，虽然速度会
慢一些，但传送距离比并行通信长，硬
件电路也相应简单些。
现在的台式 PC机一般至少有两个 RS－ 232串
行口 COM1和 COM2，通常 COM1使用的是 9针 D形连
接器，而 COM2使用的是老式的 DB25针连接器。
二,串行通信的实现
1、并行通信和串行通
信的特点：
串行通信是逐位传送数据，
所以一个多位数据需要
多次传送。比如一个 8位
的字节型数据至少需要 8
次传送。它有如下特点：
? 速度较慢；
? 引线少；
? 距离长。
计算机 外设
TXD
RXD
TXD
RXD
2、串行通信的硬件条件
在硬件上，串行通信系统的核心部件
是移位寄存器，其中在发端要有一个
并入串出移位寄存器，在收端要有一
个串入并出移位寄存器。
D Q D Q
CLK
D Q
CLK
??
??
D 0D 6
并入串出移位寄存器
D Q D Q
CLK
D Q
CLK
??
??
D 7D 1
并出串入移位寄存器
3、串行通信的同步
为了可靠的串行通信，同步信号起到至关
重要的作用。在理想情况下，同步信号应
该在数据信号线上出现有效数据期间的中
心点有效，因为这时数据线上的数据是最
稳定的。 D 7 D 6 D 5 D 4 D 3 D 2 D 1 D 0
同步脉冲
但在典型的串行通信系统中，是不
存在同步信号线的！如何实现串行通信
的中数据传送的同步呢？系统从软件和
硬件两方面采取了如下三个措施：
（ 1） 设置波特率波特率是指单位时间内传
送的位数，单位是比特 /秒。
（ 2）设置数据的传送格式，一般地串行通信
在传送数据时，并不是单纯地传送数据位
信息。为了使数据传送可靠，还设定了其
他一些辅助位。
（ 3） 设置波特率因子
在异步通信方式进行通信时, 发送端需
要用时钟来决定每 1位对应的时间长度, 接
收端也需要用一个时钟来测定每 1位的时间
长度, 前一个时钟叫发送时钟, 后一个时
钟叫接收时钟 。 这两个时钟的频率可以是
波特率的数倍, 一般取 16倍, 32倍或 64倍 。
这个倍数就称为波特率因子 。
8.2 串行通信的基本术语
一、串行通信方式
1,异步通讯
异步通信是指以字符为单位传送数据，
用起始位和停止位标识每个字符的开始和
结束字符，两次传送时间隔不固定。
2,同步通信
异步通讯为了可靠地传送数据，在每
次传送数据的同时，附加了一些标志位。
在大量数据传送时，为了提高速度，就去
掉这些标志，这就是同步通讯。采用同步
传送，在数据块开始处要用同步字符来指
示，并在发送端和接收端之间要用时钟来
实现同步。
二、串行通讯中的
数据传送方向
1,半双工
每次只能有一个
站发送。
2、完全双工
两个站都能同时
发送称完全双工。
三、异步接收 /发送器（ UART）
串行接口的基本结构主要是异步接收 /
发送器（ UART），它不仅包括并行数据
和串行数据之间的相互转换，还有检测
串行通信在传送过程中可能发生错误的
逻辑部件。
四、信号的调制和解调
由于模拟信号的传输比数字信号传
输更为有效，因而可将数字信号调制成
模拟信号进行传输，用解调器把接收的
模拟信号再转换成数字信号。
8.3 可编程串行通讯接口芯片 8251A简介
8251A芯片是 INTEL公司生产的大规模集成
电路芯片，是与 INTEL系列 CPU兼容的可编程的
串行通讯接口。虽然 8251A功能较强，但它需
要外部时钟电路。因此采用 8251A作为接口电
路时需要比较复杂的外围电路。而目前流行的
单片机如 MCS51系列,CPU内部就集成了串行接
口部件及定时器 /计数器，几乎不需要外围辅
助电路，使用起来非常简单，性能价格比很高，
因此现在越来越多的数字化仪器仪表电路中不
再采用 8251A而是使用单片机作为串行通信接
口了。
一、主要基本性能
1,可用于同步和异步传送
2,波特率,DC－ 19.2K(异步 )； DC－
64K(同步 )。
3,完全双工，双缓冲发送和接收
4,与 8080/8085CPU完全兼容
二、内部结构
发送和接
收电路
调制解调
控制电路
总线接
口部分
8.4 串行通信接口 RS－ 232C
一,RS－ 232C电器特性及接口信号
1．电气特性
在数据线 TXD和 RXD上：
逻辑 1=－ 3V～－ 15V
逻辑 0=＋ 3V～＋ 15V
在控制线和状态线 RTS,CTS、
DSR,DTR和 DCD上：
信号有效＝＋ 3V～＋ 15V
信号无效＝－ 3V～－ 15V
2,RS－ 232C与 TTL转换
RS－ 232C是用正负电压来表示逻辑状态，
与 TTL以高低电平表示逻辑状态的规定不同。
因此，为了能够使计算机接口与终端的 TTL器
件连接，必须在 RS－ 232C与 TTL电路之间进行
电平和逻辑关系变换。
3,RS-232C的接口信号
可以用电缆线直接连接标准 RS232端口，
但通信距离较近 (<12m)。若 距离较远，
可附加调制解调器（ MODEM）。 RS－ 232C
规标准接口有 25条线，最常用的信号线
有 9根。
二,RS－ 232C应用举例
1,RS－ 232C串口通信接线方法（三线制）
RS-232 MAX232 MCS51
TXD
RXD
TXD
RXD
2,BIOS串行通信口功能
IBM PC及其兼容机提供了比较灵活
的关于串行口的 BIOS中断调用方法,
即通过 INT 14H调用 ROM BIOS串行通
信口例行程序 。 该例行程序包括将
串行口初始化为指定的字节结构和
传输速率, 检查控制器的状态, 读
写字符等功能
3．举例
设通信双方有一台计算机为 PC机, 使用
COM1端口 。 在串行通信中, 必须首先设定通
信双方所使用字符串的数据结构, 才能进行
软件编程 。 这里我们设数据在接收和发送的
字符串中, 序号为 0的字节为数据长度, 其
后的字节为所接收的数据 。
接收数据子程序：
receive proc far ；这是接收数据子程序,；出口 AL,AH
rec_check,mov ah,3 ；读通讯口状态字
mov dx,0
int 14h
test ah,20H ；测试数据准备好位
jz rec_check ；数据未准备好, 再读状态字
mov ah,2 ；读通信端口数据
mov dx,0
int 14h
ret
receive endp
发送数据子程序：
send proc far ;这是发送数据子程序,;输入参数,AL,输出参数,AL,AH
push ax
send_check,mov ah,3 ；读通讯口状态字
mov dx,0
int 14h
test ah,20h ；测试, 发送保存寄存器空, 位
jz send_check ；发送保存寄存器满, 再读状态字
pop ax
mov ah,2 ；发送数据
mov dx,0
int 14h
ret
send endp
8,5 USB总线简介
一,USB的定义
USB是 Universal Serial Bus的缩写,
中文意思就是“通用串行总线”,是
连接有 USB接口的计算机外围设备到计
算机的一种计算机外部总线结构
二,USB的开发背景
制定了 USB的规范：
1,连接 PC与电话 。
2,Plug-and-Play （ 即插即用 ） 。
3．端口扩展。 USB提供双向低成本低速到中
速 (USB 2.0 可达 480Mb/s)的通用外设总线适
用于连接各种各样的外设并且易于扩展。
三,USB的变革
至目前为止,USB共经历以下几次重大变革：
0.7版本 于 1994年 11月 11日发布。是 USB的最早版本。
1.0版本 于 1995年 11月 13日制定发布了,规定 USB具有 2
种传输速度 Low-speed 1.5Mb/s,Full-speed
12Mb/s。
1.1版本 于 1998年 9月 23日制定了 1.1规格版本,速度不
变。
2.0 (草案 )版本 于 1999年 10月 5日发布。制定了 High-
speed的概念，规格 。
2.0版本 于 2000年 4月 27日发布。
四,USB系统拓扑结构
五,USB的特点
1,USB为所有的 USB外设提供了单一的、易于
操作的标准的连接类型。
2,USB整个的系统只有一个端口和一个中；
3,USB支持热插拔 (hot plug)；
4,USB支持 PNP；
5,USB在设备供电方面提供了灵活性；
6,USB提供全速 12Mbps的速率和低速 1.5Mbps
的速率来适应各种不同类型的外设； USB2.0
还支持 480Mbps 的高速传输速率；
7,USB2.0的 High-speed模式支持音频和视频设
备, 可以保证其固定带宽；
8,为了适应各种不同类型外围设备的要求 USB
提供了四种不同的数据传输类型：控制传输,
Bulk数据传输, 中断数据传输, 同步数据传输 。
同步数据传输可为音频和视频等实时设备的实
时数据传输提供固定带宽 。
9,USB 的端口具有很灵活的扩展性 。 一个 USB
端口串接上一个 USB Hub 就可以扩展为多个
USB端口 。 规范中说, USB可以扩展到 127个外
设端口 。
六,USB工作原理
1,NRZI编码
2、分组传送
USB技术和 IP技术一样，都是基于分组传送
方式的。对 USB总线来讲，当要传送一个文件
时，程序按照 USB协议，首先把数据分成若干
块，然后在每块数据前面添上同步信号、包标
识，后面添上 CRC校验，就形成了 USB封包。一
个文件可能可能有多个封包。全速 USB总线把 1
毫秒作为一个时间帧，总线在一个帧内依次传
送不同文件的封包。因此从宏观上，就仿佛总
线同时对不同的 USB外设进行数据传送。
3,USB封包
根据信息包所实现的功能可分为 3种类型：
令牌包、数据包和握手包。
令牌包定义了数据传送的类型。比如图
所示。
七,USB传输方式
1,USB的四种传输方式
（ 1） 同步 (isochronous)方式传输 同步传输
提供了确定的带宽和间隔时间, 以固定的传
输速率,连续不断地在主机与 USB 设备之间
传输数据,在传送数据发生错误时,USB并不
处理这些错误,而是继续传送新的数据, 它
被用于时间严格并具有较强容错性的流数据
传输或者用于要求恒定的数据传输率的即时
应用中 。
（ 2） 中断传输方式 (Interrupt) 该方式传送的数
据量很小,但这些数据需要及时处理,以达到实
时效果 。 此方式主要用于定时查询设备是否有
中断数据要传输 。
（ 3） 控制传输方式 (Control) 控制传输是双向传
输, 数据量通常较小, 用来处理主机到 USB设
备的数据传输 。 包括设备控制指令, 设备状态
查询及确认命令 。
（ 4） 批 (Bulk)传输方式 主要应用在数据大量传
输和接受数据上, 同时又没有带宽和间隔时间要求的情况下, 要求保证传输正确无误的数据 。
2,USB设备类型
八,USB设备列举
在 USB规范中有一个非常重要的, 动
作, 或, 过程, 。这个动作将会让 PC机
知道何种 USB设备刚接上以及其所含的各
种信息。这样,PC机就可以与这个 USB设
备开始进行数据传输的工作了。这个动
作称之为设备列举 (enumeration)。
1,USB描述符
在设备列举过程中,USB设备向主机传
送了一个重要的信息，使主机知道了这
个设备是, 谁,,并启动了该设备的驱
动程序。这个信息就是 USB描述符
2、设备列举
设备列举包含两方面的功能，一是主
机搜集 USB设备的信息，也就是 USB描述
符。另一个是主机根据 USB描述符对设备
进行配置，比如 USB设备地址设置,USB
设备各端点数据传输方式设置。
