9 串口通信

9.1 串行通信基础#

一、计算机通信方式#

CPU与外部的信息交换称为通信

并行通信：数据所有位同时被传输
串行通信：数据被逐位顺序传送
- 串行异步通信：指一帧字符用起始位和停止位来完成
- 串行同步通信：靠同步字符来完成收发双方同步

数据传送速度#

并行通信>串行同步通信>串行异步通信 同步通信指的是发送端与接收端的时钟同步

二、串行数据传输方式#

（远程）串行数据通信系统模型

graph LR computer[计算机]---|数字信道|MODEM1 MODEM1===|模拟信道信道<传输线路>|MODEM2---|数字信道|terminal

对一个通信系统来讲，必须要考虑的问题有以下几个方面：

信道的带宽和数据的传输速率
信号的调制与解调
串行通信的信号格式等

数据的传输方式

单工方式:只允许数据按照一个固定的方向传送
半双工方式：要求收发双方均具备接受和发送数据的能力，由于只有一条信道，数据不能同时在两个方向上传送
全双工方式：在全双工方式中，收发双方可同时进行数据传送（至少两根线）

串行异步通信协议#

标准数据格式#

起始位	数据位	奇偶校验位	停止位
1位	5~8位	0~1位	1、1.5、2 位
逻辑‘0’	0,1代码	0或1	逻辑‘1’

注：

数据位先发低字节
奇偶校验位（可有可无）：通信双方约定采用一致的奇偶校验方式，由发送方设置校验位，由接受方负责校验
- 奇校验：数据位与校验位中'1'的个数为奇数
- 偶校验：数据位与校验位中'1'的个数为偶数

一帧数据发送时序#

异步通信时，一帧字符以起始位'0'开始，紧跟着是数据位(先发数据最低位，再是高位)奇偶校验位，最后以停止位结束(停止位可以是1位、1.5位或者2位的逻辑1信号)。无数据传送时，通信线长时间逻辑'1'。

通信速率(传输速率)#

通信速率，又称波特率，表示每秒钟传送的0、1代码个数(包括起始位、校验位、停止位)，单位为“波特”。 (bite per second—— bps)—— ^波特率 ^波特率:注：本书中的信号传输是使用二进制信号进行的，此处的波特率(数据信号速率)也指比特率(数据通信速率)。异步通信传送中，收发双方必须约定：

收发双方的通信速率必须一致
收发双方的数据帧格式必须一致

信号的调制与解调（了解）#

调制：用一个信号控制另一个信号的某个参数随之变化的过程，叫调制。
这两个信号分别叫调制信号和被调信号，被调信号只作为传输过程中信息的载体，也叫载波。
解调：将已经调制的信号恢复成原来的数字信号的过程。

通常情况下，通信是双向的，调制器和解调器设置在同一个装置中，称为调制解调器(MODEM,猫，ADSL )。这个设备在远距离通信中具有重要作用！

RS232C标准——串行通信接口标准#

要进行串行通信，还要解决一个问题：计算机与MODEM怎样连接？ —— 通过接口电路——串行接口电路连接。这个接口其：机械特性、电气特性、功能特性都要遵循一定的规范，也就是要有一个标准。

目前计算机通信使用最普遍的是RS-232C标准。它对两方面作了规定：信号的电平标准和控制信号的定义。

控制信号的定义(机械特性)早期的PC系列机一般有两个串行口：即COM1和COM2，使用9针和25针两种连接器，符合RS-232C接口标准。 RS-232C使用25芯连接器和9芯连接器

25针连接器中通信中常用的9个端子#

25针连接器端子号	名称	方向(从微机出发)	功能
2	TXD	输出(DTE→DCE)	发送数据(Transmit Data)
3	RXD	输入(DCE→DTE)	接收数据(Receive Data)
4	RTS	输出(DTE→DCE)	请求发送(Request To Send)
5	CTS	输入(DCE→DTE)	允许发送(Clear To Send)
6	DSR	输入(DCE→DTE)	数据设备准备好(Data Set Ready)
7	GND/SG		信号地(Signal Ground)
8	DCD	输入(DCE→DTE)	载波检测(Carrier DeteCt)
20	DTR	输出(DTE→DCE)	数据终端准备好(Data Term Ready)
22	RI	输入(DCE→DTE)	振铃指示(Ring Indicator)

信号电平标准（电器特性）#

标准规定：

逻辑“1”信号，电平在 –3V ~ -15V 之间；
逻辑“0”信号，电平在 +3V ~ +15V 之间；因此，使用RS-232C与微机接口时，需要将TTL电平^TTL (0 ~ 5V)与RS-232C电平进行转换。

9.2 可编程串行异步通信接口芯片8250#

能实现数据串 $\Leftrightarrow$ 并变换，实现全双工异步通信支
持异步通信协议，数据格式、通信速率等由初始化编程设定
内部有MODEM控制器，可直接和MODEM相连
内部有中断机制，CPU可用查询、中断方式与之交换信息
以Ins 8250为核心器件的微机串行口，基于RS-232C标准，微机之间既通过连接调制解调器实现通过电话线路的远距离通信，也可以
直接连接进行短距离的点到点通信。
PC机有2个串行口，端口I/O地址分别为主串口3FXH、辅串口2FXH（高档微机中，8250的功能被一些多功能芯片取代）

串行数据发送过程#

CPU执行OUT指令，将待发送的数据→发送保持寄存器暂存，当发送移位寄存器空闲时自动装入，后者在发送器时钟控制下将并行数据添加起始位、校验位、停止位，一位一位发出。

串行数据接收过程#

在接收器时钟控制下，接收移位寄存器一位一位地接收串行数据，自动的去掉起始位、校验位、停止位，并转换成并行数据→接收缓冲寄存器暂存，在接收过程中对一帧数据自动进行校验。

8250内部结构#

8250 内部寄存器从使用角度来说有10个，分成三类

一类：2个数据寄存器
- 发送保持寄存器 3F8H/2F8H 写入
- 接收缓冲寄存器 3F8H/2F8H 读出
二类；5个命令字寄存器
- 通信线控制寄存器 3FBH/2FBH
- 2个除数寄存器 3F8H/2F8H (低位 ) 3F9H/2F9H (高位)
- 中断允许寄存器 3F9H/2F9H
- MODEM控制寄存器 3FCH/2FCH
三类：3个状态寄存器
- 通信线状态寄存器 3FDH/2FDH
- 中断识别寄存器 3FAH/2FAH
- MODEM 状态寄存器 3FEH/2FEH
传输线寄存器控制寄存器的8250自身

发送保持寄存器(3F8H/2F8H)#

该寄存器保存CPU传送来的并行数据，并转移至发送移位寄存器注：只有在发送保持寄存器空闲时，CPU才能写入下一个数据。

接收缓冲寄存器(3F8H/2F8H)#

接收移位寄存器，去掉起始位，校验位和停止位，转换成并行数据，转换后的并行数据存入接收缓冲寄存器，等待CPU接收。注：只有当一帧数据收完后，CPU才能用IN指令读接收缓冲寄存器

通信线状态寄存器(3FDH/2FDH)#

该寄存器提供数据传输的状态信息，其各位含义如下：

D0位：接收数据准备好(接收缓冲器满)标志位。 D0＝1，表示接收器已接收到一帧完整的数据，并已转换成并行数据，存入接收缓冲寄存器。(CPU接收数据时一定要查询)
D1位：溢出错标志位。D1＝1，表示接收缓冲器中的字符未取走，8250又接收到新输入的数据，造成前一数据被破坏。
D2位：奇偶错标志位。D2＝1，表示收到的数据有奇偶错。
D3位：帧错(接收格式错)标志位。D3＝1，表示接收的数据没有正确的停止位。
D4位：线路间断标志位。D4＝1，表示收到长时间“0”信号(即中止信号)。
D5位：发送保持寄存器空闲标志位。D5＝1，表示数据已从发送保持寄存器转移到发送移位寄存器，发送保持寄存器空闲，CPU可以写入新数据。当新数据送入发送保持寄存器后， D5置0。
D6位：发送移位寄存器空闲标志位。D6＝1，表示一帧数据已发送完毕。当下一个数据由发送保持寄存器移入发送移位寄存器时，该位被置0。
D7位：恒为0。注意：D0位(接收数据准备好)和D5位(发送保持寄存器空)是串行接口最基本的标志位，它们决定了CPU能不能向8250进行读写操作，只有当D0＝1时，CPU才能读数；只有当D5=1或D6=1时，CPU才能写数据。说明：寄存器中的各位置1时，如相应的中断允许位也为1，则
D0 = 1 ，产生接收中断
D5 = 1 ，产生发送中断
D1~D4 = 1，产生“字符错”中断

执行下列操作后，该状态寄存器中的相应位自动执行数据-->发送保持寄存器 D5 = 0 通信线状态寄存器内容-->AL D1~D4 = 0 接收缓冲寄存器内容-->AL D0 = 0 发送保持寄存器内容-->移位寄存器 D6 = 0

通信线状态寄存器示例#

; PPT page36 通信线状态寄存器; 示例1 利用主串口查询方式发送一个"A"SCANT: MOV DX,3FDH;通信线状态寄存器  IN AL,DX  TEST AL,20H;0010 0000  JZ SCANT;判断D5是否为1  MOV DX,3F8H;发送保持寄存器  MOV AL,'A'  OUT DX,AL;示例2：利用辅串口查询方式接受一个字符SCANR: MOV  DX,2FDH   IN  AL,DX  TEST AL,01H;0000 0001  JZ   SCANR;判断D0是否为1  MOV DX,2F8H;接收缓冲寄存器  IN AL,DX

注：TEST命令是不改变AL的OR指令，所以当对应位为1时结果不为1，Z标为0。

中断允许寄存器(3F9H/2F9H)#

8250有4级中断（按优先级从高到底为）

接收线路状态中断(接收数据错 OE、PE、FE、BI 置1 产生中断)；高
接收缓冲器满；
发送缓冲器空；
MODEM 状态中断(MODEM应答联络信号状态变化产生中断)。低

当上述 4 种类型的中断有一种或多种出现时，在中断允许寄存器的配合作用下，8250 可输出中断请求信号。该寄存器的D7～D4位恒为0。D3～D0位表示8250的4级中断是否被允许。

D0＝1，允许接收到一帧数据后，内部提出“接收中断请求”。
D1＝1，允许发送保持寄存器空时，内部提出“发送中断请求”
D2＝1，允许接收出错时，内部提出“接收数据错中断请求”。
D3＝1，允许MODEM状态改变时，内部提出“MODEM中断请求”。

中断识别寄存器(3FAH/2FAH)#

由于8250仅能向CPU发出一个总的中断请求信号，为了识别是哪一个中断源引起的中断，应当在转入中断服务程序之后，读取中断识别寄存器的内容进行判断，然后再转入相应的处理程序。

中断识别寄存器中断源识别码如果只有一个中断，就不需要进行中断识别

MOV   DX，3FAHIN   AL，DXCMP   AL，0JZ   MODEM中断CMP   AL，2JZ   发送中断CMP   AL，4JZ   接收中断CMP   AL，6JZ   字符错中断

MODEM控制寄存器(3FCH/2FCH)#

D0位＝1,使引脚DTR＝0,从而使RS-232C引脚DTR为0,表示数据终端准备好
D1位＝1，使引脚RTS＝0，从而使RS-232C引脚RTS为0,表示8250请求发送
D2位＝1，使引脚OUT1＝0，系统机上没有使用。
D3位＝1，使引脚OUT2＝0，8250能送出中断请求。
D4位通常置0，设置8250工作在正常收/发方式；
若D4位置1，则8250工作在内部自环方式，即发送移位寄存器的输出在芯片内部被回送到接收移位寄存器的输入
D7～D5位恒为0。

使用联络线的话，通常将0和1位置一

说明#

out2与INTRPT相与，才送出中断

除数寄存器( 高8位3F9H/2F9H ，低8位3F8H/2F8H )#

除数寄存器 —— 存放分频系数，由两部分组成，高8位送入MSB，低8位送入LSB。

8250 波特率与分频系数(除数锁存器中的值) 的关系：

8250内部的波特率发生器是软件控制的可编程的分频器

\frac{f_{OSC}}{\text{分频系数}}=16\times \text{通信速率}

\therefore \text{分频系数(即除数)}=\frac{1.8432MHz}{16\times \text{通信速率}}

通信线控制寄存器(3FBH/2FBH)#

该寄存器主要用于指定串行异步通信的数据格式。

MODEM状态寄存器(3FEH/2FEH)#

该寄存器反映8250与通信设备(如MODEM)之间联络信号的当前状态以及这些信号的变化情况。

D7～D4记录了4个输入引脚的状态电平：
- D7＝1 表示输入引脚RLSD＝0，MODEM收到来自电话线的载波信号。
  - D6＝1 表示输入引脚RI＝0，MODEM收到振铃信号。
  - D5＝1 表示输入引脚DSR＝0, MODEM做好了发送准备，请8250准备接收。
  - D4＝1 表示输入引脚CTS＝0, MODEM做好了接收准备，8250可以发送数据
D3～D0记录了上一次读取该寄存器后，上述引脚是否发生过电平变化。
- D3＝1 表示输入引脚RLSD有电平变化。
- D2＝1 表示输入引脚RI有电平变化。
- D1＝1 表示输入引脚DSR有电平变化。
- D0＝1 表示输入引脚CTS有电平变化。

9.3 8250初始化编程#

直接对8250端口操作
利用BIOS通信软件(INT 14H)（了解）

直接对8250端口进行初始化编程步骤：

确定波特率 —— 设置除数锁存器3FBH ；9行
确定数据格式 —— 设置通信线路控制寄存器；3行
确定是否使用中断方式 —— 若使用，需设置中断允许寄存器的相应位置“1”，否则对应位置“0”；3行
设置MODEM 控制寄存器 3行

子程序一定要有ret

I8250    PROC;除数锁存器（分频系数）MOV       DX，3FBH;MOV       AL，80HOUT        DX，AL;通讯线路控制寄存器最高位置“1”MOV       DX，3F9H;D7设置MOV       AL，0OUT        DX，AL;除数低位送入 除数锁存器 LSB (低8位)MOV       DX，3F8HMOV       AL，60HOUT        DX，AL;除数高位送入 除数锁存器 MSB (高8位)
MOV       DX，3FBH;定义数据帧格式MOV       AL，03HOUT        DX，ALMOV       DX，3F9H;中断允许寄存器MOV       AL，0OUT        DX，ALMOV       DX，3FCH;MODERM控制寄存器MOV       AL，10HOUT        DX，ALRETI8250  ENDP

9.4 串行通信的外部环境#

短距离（无MODEM）点——点全双工通信
短距离单工通信
外环自发/自收

9.5 串行通信程序设计举例#

设计时需要考虑：

① 题型：单端自发自收，点—点通信(全双工、单工)

② CPU与串口交换信息的方式：查询？中断？

③ 编程手段：对端口直接编程？调用BIOS通信软件

④ 根据题目要求组织相应的外部环境

对端口直接操作发送和接收数据，程序中查询联络线,可以按“有联络线”方式接线程序中不查询联络线，可以按“无联络线”方式接线
BIOS通信软件是一个全双工的通信软件，发送和接收之前都要使用联络线与对端“握手”，只有联络畅通，才能发送或接收数据！
当8250设置为内环自检方式的时候，只能采用查询方式，而且只能采用对端口直接操作的编程手段，完成数据的发送和接收。

注：计算机处理器中数据表示采用二进制规定，+5V等价于逻辑“1”，0V等价于逻辑“0”，这被称做TTL(晶体管-晶体管逻辑电平)信号系统，这是计算机处理器控制的设备内部各部分之间通信的标准技术。↩