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串口通訊的起始
、數(shù)據(jù)、停止位的分配

發(fā)布時間：2020-02-15人氣：69

串口是串行接口（serial port）的簡稱

，也稱為串行通信接口或COM接口。

串口通信是指采用串行通信協(xié)議（serial communication）在一條信號線上將數(shù)據(jù)一個比特一個比特地逐位進(jìn)行傳輸?shù)耐ㄐ拍Ｊ健?/p>

串口按電氣標(biāo)準(zhǔn)及協(xié)議來劃分

，包括RS-232-C、RS-422
、RS485等
。


1.串行通信

在串行通信中

，數(shù)據(jù)在1位寬的單條線路上進(jìn)行傳輸
，一個字節(jié)的數(shù)據(jù)要分為8次，由低位到高位按順序一位一位的進(jìn)行傳送
。

串行通信的數(shù)據(jù)是逐位傳輸?shù)模l(fā)送方發(fā)送的每一位都具有固定的時間間隔

，這就要求接收方也要按照發(fā)送方同樣的時間間隔來接收每一位。不僅如此
，接收方還必須能夠確定一個信息組的開始和結(jié)束
。

常用的兩種基本串行通信方式包括同步通信和異步通信。


1.1串行同步通信

同步通信（SYNC:synchronous data communication）是指在約定的通信速率下

，發(fā)送端和接收端的時鐘信號頻率和相位始終保持一致（同步），這樣就保證了通信雙方在發(fā)送和接收數(shù)據(jù)時具有完全一致的定時關(guān)系
。

同步通信把許多字符組成一個信息組（信息幀），每幀的開始用同步字符來指示

，一次通信只傳送一幀信息
。在傳輸數(shù)據(jù)的同時還需要傳輸時鐘信號
，以便接收方可以用時針信號來確定每個信息位
。

同步通信的優(yōu)點(diǎn)是傳送信息的位數(shù)幾乎不受限制，一次通信傳輸?shù)臄?shù)據(jù)有幾十到幾千個字節(jié)

，通信效率較高。同步通信的缺點(diǎn)是要求在通信中始終保持精確的同步時鐘，即發(fā)送時鐘和接收時鐘要嚴(yán)格的同步（常用的做法是兩個設(shè)備使用同一個時鐘源）
。

在后續(xù)的串口通信與編程中將只討論異步通信方式

，所以在這里就不對同步通信做過多的贅述了
。


1.2串行異步通信

異步通信（ASYNC:asynchronous data communication）

，又稱為起止式異步通信
，是以字符為單位進(jìn)行傳輸?shù)?div id="4qifd00" class="flower right">
，字符之間沒有固定的時間間隔要求，而每個字符中的各位則以固定的時間傳送
。

在異步通信中，收發(fā)雙方取得同步是通過在字符格式中設(shè)置起始位和停止位的方法來實(shí)現(xiàn)的

。具體來說就是
，在一個有效字符正式發(fā)送之前，發(fā)送器先發(fā)送一個起始位
，然后發(fā)送有效字符位，在字符結(jié)束時再發(fā)送一個停止位
，起始位至停止位構(gòu)成一幀
。停止位至下一個起始位之間是不定長的空閑位
，并且規(guī)定起始位為低電平（邏輯值為0）
，停止位和空閑位都是高電平（邏輯值為1），這樣就保證了起始位開始處一定會有一個下跳沿
，由此就可以標(biāo)志一個字符傳輸?shù)钠鹗肌６鶕?jù)起始位和停止位也就很容易的實(shí)現(xiàn)了字符的界定和同步
。

顯然

，采用異步通信時，發(fā)送端和接收端可以由各自的時鐘來控制數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收
，這兩個時鐘源彼此獨(dú)立，可以互不同步
。

下面簡單的說說異步通信的數(shù)據(jù)發(fā)送和接收過程

。


1.2.1異步通信的數(shù)據(jù)格式

在介紹異步通信的數(shù)據(jù)發(fā)送和接收過程之前

，有必要先弄清楚異步通信的數(shù)據(jù)格式
。

異步通信規(guī)定傳輸?shù)臄?shù)據(jù)格式由起始位（start bit）、數(shù)據(jù)位（data bit）

、奇偶校驗(yàn)位（parity bit）和停止位（stop bit）組成
，如圖1所示（該圖中未畫出奇偶校驗(yàn)位，因?yàn)槠媾紮z驗(yàn)位不是必須有的
，如果有奇偶檢驗(yàn)位，則奇偶檢驗(yàn)位應(yīng)該在數(shù)據(jù)位之后
，停止位之前）。

（1）起始位：起始位必須是持續(xù)一個比特時間的邏輯0電平

，標(biāo)志傳輸一個字符的開始，接收方可用起始位使自己的接收時鐘與發(fā)送方的數(shù)據(jù)同步
。

（2）數(shù)據(jù)位：數(shù)據(jù)位緊跟在起始位之后

，是通信中的真正有效信息。數(shù)據(jù)位的位數(shù)可以由通信雙方共同約定
，一般可以是5位、7位或8位
，標(biāo)準(zhǔn)的ASCII碼是0~127（7位）
，擴(kuò)展的ASCII碼是0~255（8位）
。傳輸數(shù)據(jù)時先傳送字符的低位
，后傳送字符的高位。

（3）奇偶校驗(yàn)位：奇偶校驗(yàn)位僅占一位

，用于進(jìn)行奇校驗(yàn)或偶校驗(yàn)，奇偶檢驗(yàn)位不是必須有的
。如果是奇校驗(yàn)
，需要保證傳輸?shù)臄?shù)據(jù)總共有奇數(shù)個邏輯高位；如果是偶校驗(yàn)
，需要保證傳輸?shù)臄?shù)據(jù)總共有偶數(shù)個邏輯高位。

舉例來說

，假設(shè)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)位為01001100
，如果是奇校驗(yàn)，則奇校驗(yàn)位為0（要確?div id="d48novz" class="flower left">
？偣灿衅鏀?shù)個1），如果是偶校驗(yàn)，則偶校驗(yàn)位為1（要確?div id="d48novz" class="flower left">
？偣灿信紨?shù)個1）
。

由此可見

，奇偶校驗(yàn)位僅是對數(shù)據(jù)進(jìn)行簡單的置邏輯高位或邏輯低位
，不會對數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)質(zhì)的判斷，這樣做的好處是接收設(shè)備能夠知道一個位的狀態(tài)
，有可能判斷是否有噪聲干擾了通信以及傳輸?shù)臄?shù)據(jù)是否同步。

（4）停止位：停止位可以是是1位

、1.5位或2位
，可以由軟件設(shè)定。它一定是邏輯1電平
，標(biāo)志著傳輸一個字符的結(jié)束。

（5）空閑位：空閑位是指從一個字符的停止位結(jié)束到下一個字符的起始位開始

，表示線路處于空閑狀態(tài)
，必須由高電平來填充。

1.2.2異步通信的數(shù)據(jù)發(fā)送過程

清楚了異步通信的數(shù)據(jù)格式之后

，就可以按照指定的數(shù)據(jù)格式發(fā)送數(shù)據(jù)了，發(fā)送數(shù)據(jù)的具體步驟如下：

（1）初始化后或者沒有數(shù)據(jù)需要發(fā)送時

，發(fā)送端輸出邏輯1
，可以有任意數(shù)量的空閑位。

（2）當(dāng)需要發(fā)送數(shù)據(jù)時

，發(fā)送端首先輸出邏輯0，作為起始位
。

（3）接著就可以開始輸出數(shù)據(jù)位了

，發(fā)送端首先輸出數(shù)據(jù)的最低位D0，然后是D1
，最后是數(shù)據(jù)的最高位。

（4）如果設(shè)有奇偶檢驗(yàn)位

，發(fā)送端輸出檢驗(yàn)位
。

（5）最后，發(fā)送端輸出停止位（邏輯1）

。

（6）如果沒有信息需要發(fā)送

，發(fā)送端輸出邏輯1（空閑位），如果有信息需要發(fā)送
，則轉(zhuǎn)入步驟（2）。

1.2.3異步通信的數(shù)據(jù)接收過程

在異步通信中

，接收端以接收時鐘和波特率因子決定每一位的時間長度
。下面以波特率因子等于16（接收時鐘每16個時鐘周期使接收移位寄存器移位一次）為例來說明。

（1）開始通信

，信號線為空閑（邏輯1），當(dāng)檢測到由1到0的跳變時
，開始對接收時鐘計數(shù)
。

（2）當(dāng)計到8個時鐘的時候，對輸入信號進(jìn)行檢測

，若仍然為低電平
，則確認(rèn)這是起始位
，而不是干擾信號。

（3）接收端檢測到起始位后

，隔16個接收時鐘對輸入信號檢測一次，把對應(yīng)的值作為D0位數(shù)據(jù)
。

（4）再隔16個接收時鐘

，對輸入信號檢測一次，把對應(yīng)的值作為D1位數(shù)據(jù)
，直到全部數(shù)據(jù)位都輸入
。

（5）檢驗(yàn)奇偶檢驗(yàn)位

。

（6）接收到規(guī)定的數(shù)據(jù)位個數(shù)和校驗(yàn)位之后

，通信接口電路希望收到停止位（邏輯1），若此時未收到邏輯1
，說明出現(xiàn)了錯誤，在狀態(tài)寄存器中置“幀錯誤”標(biāo)志
；若沒有錯誤
，對全部數(shù)據(jù)位進(jìn)行奇偶校驗(yàn)，無校驗(yàn)錯時
，把數(shù)據(jù)位從移位寄存器中取出送至數(shù)據(jù)輸入寄存器
，若校驗(yàn)錯，在狀態(tài)寄存器中置“奇偶錯”標(biāo)志
。

（7）本幀信息全部接收完

，把線路上出現(xiàn)的高電平作為空閑位。

（8）當(dāng)信號再次變?yōu)榈蜁r

，開始進(jìn)入下一幀的檢測。

以上就是異步通信中數(shù)據(jù)發(fā)送和接收的全過程了

。


1.3幾個概念

為了更好的理解串口通信

，我們還需要了解幾個串口通信當(dāng)中的基本概念
。

（1）發(fā)送時鐘：發(fā)送數(shù)據(jù)時

，首先將要發(fā)送的數(shù)據(jù)送入移位寄存器，然后在發(fā)送時鐘的控制下
，將該并行數(shù)據(jù)逐位移位輸出
。

（2）接收時鐘：在接收串行數(shù)據(jù)時

，接收時鐘的上升沿對接收數(shù)據(jù)采樣
，進(jìn)行數(shù)據(jù)位檢測，并將其移入接收器的移位寄存器中
，最后組成并行數(shù)據(jù)輸出
。

（3）波特率因子：波特率因子是指發(fā)送或接收1個數(shù)據(jù)位所需要的時鐘脈沖個

2.串口接頭

常用的串口接頭有兩種

，一種是9針串口（簡稱DB-9）
，一種是25針串口（簡稱DB-25）。每種接頭都有公頭和母頭之分
，其中帶針狀的接頭是公頭
，而帶孔狀的接頭是母頭.


3.RS-232C標(biāo)準(zhǔn)

常用的串行通信接口標(biāo)準(zhǔn)有RS-232C

、RS-422
、RS-423和RS-485。其中
，RS-232C作為串行通信接口的電氣標(biāo)準(zhǔn)定義了數(shù)據(jù)終端設(shè)備（DTE:data terminal equipment）和數(shù)據(jù)通信設(shè)備（DCE:data communication equipment）間按位串行傳輸?shù)慕涌谛畔ⅲ侠戆才帕私涌诘碾姎庑盘柡蜋C(jī)械要求
，在世界范圍內(nèi)得到了廣泛的應(yīng)用
。


3.1電氣特性

RS-232C對電器特性、邏輯電平和各種信號功能都做了規(guī)定

，如下：

在TXD和RXD數(shù)據(jù)線上：

（1）邏輯1為-3~-15V的電壓

（2）邏輯0為3~15V的電壓

在RTS

、CTS、DSR
、DTR和DCD等控制線上：

（1）信號有效（ON狀態(tài)）為3~15V的電壓

（2）信號無效（OFF狀態(tài)）為-3~-15V的電壓

由此可見，RS-232C是用正負(fù)電壓來表示邏輯狀態(tài)

，與晶體管-晶體管邏輯集成電路（TTL）以高低電平表示邏輯狀態(tài)的規(guī)定正好相反
。


3.2信號線分配

RS-232C標(biāo)準(zhǔn)接口有25條線，其中

，4條數(shù)據(jù)線
、11條控制線
、3條定時線以及7條備用和未定義線
。那么，這些信號線在9針串口和25針串口的管腳上是如何分配的呢
？

下面對這些信號線做個簡單的介紹

。

（1）數(shù)據(jù)裝置準(zhǔn)備好（DSR），有效狀態(tài)（ON）表示數(shù)據(jù)通信設(shè)備處于可以使用狀態(tài)

。

（2）數(shù)據(jù)終端準(zhǔn)備好（DTR），有效狀態(tài)（ON）表示數(shù)據(jù)終端設(shè)備處于可以使用狀態(tài)

。

這兩個設(shè)備狀態(tài)信號有效

，只表示設(shè)備本身可用
，并不說明通信鏈路可以開始進(jìn)行通信了
，能否開始進(jìn)行通信要由下面的一些控制信號決定
。

（3）請求發(fā)送（RTS）

，用來表示數(shù)據(jù)終端設(shè)備（DTE）請求數(shù)據(jù)通信設(shè)備（DCE）發(fā)送數(shù)據(jù)。

（4）允許發(fā)送（CTS）

，用來表示數(shù)據(jù)通信設(shè)備（DCE）已經(jīng)準(zhǔn)備好了數(shù)據(jù)
，可以向數(shù)據(jù)終端設(shè)備（DTE）發(fā)送數(shù)據(jù)，是對請求發(fā)送信號RTS的響應(yīng)
。請求發(fā)送（RTS）和允許發(fā)送（CTS）用于半雙工的通信系統(tǒng)中，在全雙工的系統(tǒng)中
，不需要使用請求發(fā)送（RTS）和允許發(fā)送（CTS）信號
，直接將其置為ON即可。

（5）數(shù)據(jù)載波檢出（DCD）

，用于表示數(shù)據(jù)通信設(shè)備（DCE）已接通通信鏈路
，告知數(shù)據(jù)終端設(shè)備（DTE）準(zhǔn)備接收數(shù)據(jù)。

（6）振鈴指示（RI）

，當(dāng)數(shù)據(jù)通信設(shè)備收到交換臺送來的振鈴呼叫信號時
，使該信號有效（ON），通知終端
，已被呼叫
。

（7）發(fā)送數(shù)據(jù)（TXD），數(shù)據(jù)終端設(shè)備（DTE）通過該信號線將串行數(shù)據(jù)發(fā)送到數(shù)據(jù)通信設(shè)備（DCE）

。

（8）接收信號（RXD），數(shù)據(jù)終端設(shè)備（DTE）通過該信號線接收從數(shù)據(jù)通信設(shè)備（DCE）發(fā)來的串行數(shù)據(jù)

。

（9）地線（SG

、PG），分別表示信號地和保護(hù)地信號線
。


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