常見的數(shù)據(jù)通信方式原理是什么

數(shù)據(jù)通信的基本方式可分為并行通信與串行通信兩種：

并行通信：是指利用多條數(shù)據(jù)傳輸線將一個(gè)資料的各位同時(shí)傳送。它的特點(diǎn)是傳輸速度快，適用于短距離通信，但要求通訊速率較高的應(yīng)用場合。

串行通信：是指利用一條傳輸線將資料一位位地順序傳送。特點(diǎn)是通信線路簡單，利用簡單的線纜就可實(shí)現(xiàn)通信，降低成本，適用于遠(yuǎn)距離通信，但傳輸速度慢的應(yīng)用場合。

一、異步通信及其協(xié)議

異步通信以一個(gè)字符為傳輸單位，通信中兩個(gè)字符間的時(shí)間間隔是不固定的，然而在同一個(gè)字符中的兩個(gè)相鄰位代碼間的時(shí)間間隔是固定的。

通信協(xié)議（通信規(guī)程）：是指通信雙方約定的一些規(guī)則。在使用異步串口傳送一個(gè)字符的信息時(shí)，對(duì)資料格式有如下約定：規(guī)定有空閑位、起始位、資料位、奇偶校驗(yàn)位、停止位。

異步通訊的時(shí)序，如圖5-1。

其中各位的意義如下：

起始位：先發(fā)出一個(gè)邏輯”0”信號(hào)，表示傳輸字符的開始。

資料位：緊接著起始位之后。資料位的個(gè)數(shù)可以是4、5、6、7、8等，構(gòu)成一個(gè)字符。通常采用ASCII碼。從最低位開始傳送，靠時(shí)鐘定位。

奇偶校驗(yàn)位：資料位加上這一位后，使得“1”的位數(shù)應(yīng)為偶數(shù)（偶校驗(yàn)）或奇數(shù)（奇校驗(yàn)），以此來校驗(yàn)資料傳送的正確性。

停止位：它是一個(gè)字符數(shù)據(jù)的結(jié)束標(biāo)志?？梢允?位、1.5位、2位的高電平。

空閑位：處于邏輯“1”狀態(tài)，表示當(dāng)前線路上沒有資料傳送。

波特率：是衡量資料傳送速率的指針。表示每秒鐘傳送的二進(jìn)制位數(shù)。例如資料傳送速率為120字符/秒，而每一個(gè)字符為10位，則其傳送的波特率為10×120＝1200字符/秒＝1200波特。

注：異步通信是按字符傳輸?shù)?，接收設(shè)備在收到起始信號(hào)之后只要在一個(gè)字符的傳輸時(shí)間內(nèi)能和發(fā)送設(shè)備保持同步就能正確接收。下一個(gè)字符起始位的到來又使同步重新校準(zhǔn)（依靠檢測起始位來實(shí)現(xiàn)發(fā)送與接收方的時(shí)鐘自同步的）。

二、資料傳送方式

根據(jù)資料傳送方向的不同有以下三種方式。如圖5-2所示。

（1）單工方式 （2）半雙工方式 （3）全雙工方式

圖5-2 資料傳送方式

1、單工方式

資料始終是從A設(shè)備發(fā)向B設(shè)備。

2、 半雙工方式

資料能從A設(shè)備傳送到B設(shè)備，也能從B設(shè)備傳送到A設(shè)備。在任何時(shí)候資料都不能同時(shí)在兩個(gè)方向上傳送，即每次只能有一個(gè)設(shè)備發(fā)送，另一個(gè)設(shè)備接收。但是通訊雙方依照一定的通訊協(xié)議來輪流地進(jìn)行發(fā)送和接收。

3、 全雙工方式

允許通信雙方同時(shí)進(jìn)行發(fā)送和接收。這時(shí)，A設(shè)備在發(fā)送的同時(shí)也可以接收，B設(shè)備亦同。全雙工方式相當(dāng)于把兩個(gè)方向相反的單工方式組合在一起，因此它需要兩條數(shù)據(jù)傳輸線。在計(jì)算機(jī)串行通訊中主要使用半雙工和全雙工方式。

三、信號(hào)傳輸方式

1、基帶傳輸方式

在傳輸線路上直接傳輸不加調(diào)制的二進(jìn)制信號(hào)，如圖所示。它要求傳送線的頻帶較寬，傳輸?shù)臄?shù)字信號(hào)是矩形波。

基帶傳輸方式僅適宜于近距離和速度較低的通信。

數(shù)據(jù)通信的幾種基本方式以及原理解析

2、頻帶傳輸方式

傳輸經(jīng)過調(diào)制的模擬信號(hào)

在長距離通信時(shí)，發(fā)送方要用調(diào)制器把數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換成模擬信號(hào)，接收方則用解調(diào)器將接收到的模擬信號(hào)再轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，這就是信號(hào)的調(diào)制解調(diào)。

實(shí)現(xiàn)調(diào)制和解調(diào)任務(wù)的裝置稱為調(diào)制解調(diào)器（MODEM）。采用頻帶傳輸時(shí)，通信雙方各接一個(gè)調(diào)制解調(diào)器，將數(shù)字信號(hào)寄載在模擬信號(hào)（載波）上加以傳輸。因此，這種傳輸方式也稱為載波傳輸方式。這時(shí)的通信線路可以是電話交換網(wǎng)，也可以是專用線。

常用的調(diào)制方式有三種：

調(diào)幅、調(diào)頻和調(diào)相，分別如下圖所示。

數(shù)據(jù)通信的幾種基本方式以及原理解析

四、串行接口標(biāo)準(zhǔn)

串行接口標(biāo)準(zhǔn)：指的是計(jì)算機(jī)或終端（資料終端設(shè)備DTE）的串行接口電路與調(diào)制解調(diào)器MODEM等（數(shù)據(jù)通信設(shè)備DCE）之間的連接標(biāo)準(zhǔn)。

RS-232C標(biāo)準(zhǔn)

RS-232C是一種標(biāo)準(zhǔn)接口，D型插座，采用25芯引腳或9芯引腳的連接器，如圖5-5所示。

數(shù)據(jù)通信的幾種基本方式以及原理解析

微型計(jì)算機(jī)之間的串行通信就是按照RS-232C標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)的接口電路實(shí)現(xiàn)的。如果使用一根電話線進(jìn)行通信，那幺計(jì)算機(jī)和MODEM之間的聯(lián)機(jī)就是根據(jù)RS-232C標(biāo)準(zhǔn)連接的。其連接及通信原理所示

RS232信號(hào)定義

RS-232C標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定接口有25根聯(lián)機(jī)。只有以下9個(gè)信號(hào)經(jīng)常使用。

引腳和功能分別如下：

1. TXD（第2腳）：發(fā)送資料線，輸出。發(fā)送資料到MODEM。

2. RXD（第3腳）：接收資料線，輸入。接收資料到計(jì)算機(jī)或終端。

3. （第4腳）：請(qǐng)求發(fā)送，輸出。計(jì)算機(jī)通過此引腳通知MODEM，要求發(fā)送資料。

4. （第5腳）：允許發(fā)送，輸入。發(fā)出 作為對(duì) 的回答，計(jì)算機(jī)才可以進(jìn)行發(fā)送資料。

5. （第6腳）：資料裝置就緒（即MODEM準(zhǔn)備好），輸入。表示調(diào)制解調(diào)器可以使用，該信號(hào)有時(shí)直接接到電源上，這樣當(dāng)設(shè)備連通時(shí)即有效。

6. CD（第8腳）：載波檢測（接收線信號(hào)測定器），輸入。表示MODEM已與電話線路連接好。

7. 如果通信線路是交換電話的一部分，則至少還需如下兩個(gè)信號(hào)：

8. RI（第22腳）：振鈴指示，輸入。MODEM若接到交換臺(tái)送來的振鈴呼叫信號(hào)，就發(fā)出該信號(hào)來通知計(jì)算機(jī)或終端。

9. （第20腳）：資料終端就緒，輸出。計(jì)算機(jī)收到RI信號(hào)以后，就發(fā)出 信號(hào)到MODEM作為回答，以控制它的轉(zhuǎn)換設(shè)備，建立通信鏈路。

10. GND（第7腳）：信號(hào)地

邏輯電平

RS-232C標(biāo)準(zhǔn)采用EIA電平，規(guī)定：

“1”的邏輯電平在-3V~-15v之間

“0”的邏輯電平在+3V~+15V之間。

由于EIA電平與TTL電平完全不同，必須進(jìn)行相應(yīng)的電平轉(zhuǎn)換，MCl488完成TTL電平到EIA電平的轉(zhuǎn)換，MCl489完成EIA電平到ITL電平的轉(zhuǎn)換。還有MAX232可以同時(shí)完成TTL-》EIA和EIA-》TTL的電平轉(zhuǎn)換。

除了RS-232C標(biāo)準(zhǔn)以外，還有一些其它的通用的異步串行接口標(biāo)準(zhǔn)，如：

RS-423A標(biāo)準(zhǔn)

為了克服RS-232C的缺點(diǎn)，提高傳送速率，增加通信距離，又考慮到與RS-232C的兼容性，美國電子工業(yè)協(xié)會(huì)在1987年提出了RS-423A標(biāo)準(zhǔn)。該標(biāo)準(zhǔn)的主要優(yōu)點(diǎn)是在接收端采用了差分輸入。而差分輸入對(duì)共模干擾信號(hào)有較高的抑制作用，這樣就提高了通信的可靠性。RS-423A用-6v表示邏輯“1”，用+6v表示邏輯“0”，可以直接與RS-232C相接。采用RS-423A標(biāo)準(zhǔn)以獲得比RS-232C更佳的通信效果。

RS-422A標(biāo)準(zhǔn)

RS-422A總線采用平衡輸出的發(fā)送器，差分輸入的接收器。如圖5-8所示。

RS-422A的輸出信號(hào)線間的電壓為±2v，接收器的識(shí)別電壓為±0.2v。共模范圍±25v。在高速傳送信號(hào)時(shí)，應(yīng)該考慮到通信線路的阻抗匹配，一般在接收端加終端電阻以吸收掉反射波。電阻網(wǎng)絡(luò)也應(yīng)該是平衡的，所示。

RS-485標(biāo)準(zhǔn)

RS-485適用于收發(fā)雙方共享一對(duì)線進(jìn)行通信，也適用于多個(gè)點(diǎn)之間共享一對(duì)線路進(jìn)行總線方式聯(lián)網(wǎng)，但通信只能是半雙工的，線路如圖5-10所示。

典型的RS232到RS422/485轉(zhuǎn)換芯片有：MAX481/483/485/487/488/489/490/491，SN75175/176/184等等，它們均只需單一+5v電源供電即可工作（芯片內(nèi)部采用電荷泵方式升壓）。具體使用方法可查閱有關(guān)技術(shù)手冊(cè)。

五、S3C2410內(nèi)置的UART控制器

S3C2410內(nèi)部具有3個(gè)獨(dú)立的UART控制器，每個(gè)控制器都可以工作在Interrupt（中斷）模式或DMA（直接內(nèi)存訪問）模式，也就是說UART控制器可以CPU與UART控制器傳送資料的時(shí)候產(chǎn)生中斷或DMA請(qǐng)求。并且每個(gè)UART均具有16字節(jié)的FIFO（先入先出寄存器），支持的最高波特率可達(dá)到230.4Kbps

UART的操作

UART的操作分為以下幾個(gè)部分，分別是：資料發(fā)送、資料接收、產(chǎn)生中斷、產(chǎn)生波特率、Loopback模式、紅外模式以及自動(dòng)流控模式。

資料發(fā)送

發(fā)送的資料幀格式是可以編程設(shè)置的。它包含了起始位、5~8個(gè)資料位、可選的奇偶校驗(yàn)位以及1~2位停止位。這些都是通過UART的控制寄存器 ULCONn 來設(shè)置的。

資料接收

同發(fā)送一樣，接收的資料幀格式也是可以進(jìn)行編程設(shè)置的。此外，還具備了檢測溢出出錯(cuò)、奇偶校驗(yàn)出錯(cuò)、幀出錯(cuò)等出錯(cuò)檢測，并且每種錯(cuò)誤都可以置相應(yīng)的錯(cuò)誤標(biāo)志。

自動(dòng)流控模式

S3C2410的UART0和UART1都可以通過各自的nRTS和nCTS信號(hào)來實(shí)現(xiàn)自動(dòng)流控。

在自動(dòng)流控（AFC）模式下nRTS取決于接收端的狀態(tài)，而nCTS控制了發(fā)送斷的操作。具體地說：只有當(dāng)nCTS有效時(shí)（表明接收方的FIFO已經(jīng)準(zhǔn)備就緒來接收資料了），UART才會(huì)將FIFO中的資料發(fā)送出去。在UART接收資料之前，只要當(dāng)接收FIFO有至少2-byte空余的時(shí)候，nRTS就會(huì)被置為有效。圖5-12是UART 自動(dòng)流控模式的連接方式

中斷/DMA請(qǐng)求產(chǎn)生

S3C2410的每個(gè)UART都有7種狀態(tài)，分別是：溢出覆蓋（Overrun）錯(cuò)誤、奇偶校驗(yàn)錯(cuò)誤、幀出錯(cuò)、斷線錯(cuò)誤、接收就緒、發(fā)送緩沖空閑、發(fā)送移位器空閑。它們?cè)赨ART狀態(tài)寄存器 UTRSTATn / UERSTATn 中有相應(yīng)的標(biāo)志位。

波特率發(fā)生器

每個(gè)UART控制器都有各自的波特率發(fā)生器來產(chǎn)生發(fā)送和接收資料所用的序列時(shí)鐘，波特率發(fā)生器的時(shí)鐘源可以CPU內(nèi)部的系統(tǒng)時(shí)鐘，也可以從CPU的 UCLK 管腳由外部取得時(shí)鐘信號(hào)，并且可以通過 UCONn 選擇各自的時(shí)鐘源。

波特率產(chǎn)生的具體計(jì)算方法如下：

當(dāng)選擇CPU內(nèi)部時(shí)鐘時(shí)：

UBRDIVn=（int）（PCLK/（bps*16））-1，bps為所需要的波特率值，PCLK為CPU內(nèi)部外設(shè)總線（APB）的工作時(shí)鐘。

當(dāng)需要得到更精確的波特率時(shí)，可以選擇由 UCLK 引入的外部時(shí)鐘來生成。

UBRDIVn=（int）（UCLK/（bps*16））-1

LoopBack操作模式

S3C2410 CPU的UART提供了一種測試模式，也就是這里所說的LoopBack模式。在設(shè)計(jì)系統(tǒng)的具體應(yīng)用時(shí)，為了判斷通訊故障是由于外部的數(shù)據(jù)鏈路上的問題，還是CPU內(nèi)驅(qū)動(dòng)程序或CPU本身的問題，這就需要采用LoopBack模式來進(jìn)行測試。在LoopBack模式中，資料發(fā)送端TXD在UART內(nèi)部就從邏輯上與接收端RXD連在一起，并可以來驗(yàn)證資料的收發(fā)是否正常。

UART控制寄存器

下面將針對(duì)UART的各個(gè)控制寄存器逐一進(jìn)行講解，以期對(duì)UART的操作和設(shè)置能有更進(jìn)一步的了解。

ULCONn （UART Line Control Register）見圖5-13

數(shù)據(jù)通信的幾種基本方式以及原理解析

圖5-13

Word Length ：資料位長度

Number of Stop Bit ：停止位數(shù)

Parity Mode ：奇偶校驗(yàn)位類型

Infra-Red Mode ：UART/紅外模式選擇（當(dāng)以UART模式工作時(shí)，需設(shè)為“0”）

UCONn （UART Control Register）見圖5-14

Receive Mode ：選擇接收模式。如果是采用DMA模式的話，還需要指定說使用的DMA信道。

Transmit Mode ：同上。

Send Break Signal ：選擇是否在傳1幀資料中途發(fā)送Break信號(hào)。

Loopback Mode ：選擇是否將UART置于Loopback測試模式。

Rx Error Status Interrupt Enable ：選擇是否使能當(dāng)發(fā)生接收異常時(shí)，是否產(chǎn)生接收錯(cuò)誤中斷。

Rx Time Out Enable ：是否使能接收超時(shí)中斷。

Rx Interrupt Type ：選擇接收中斷類型。

選擇0：Pulse（脈沖式/邊沿式中斷。非FIFO模式時(shí)，一旦接收緩沖區(qū)中有資料，即產(chǎn)生一個(gè)中斷；為FIFO模式時(shí)，一旦當(dāng)FIFO中的資料達(dá)到一定的觸發(fā)水平后，即產(chǎn)生一個(gè)中斷）

選擇1：Level（電平模式中斷。非FIFO模式時(shí)，只要接收緩沖區(qū)中有資料，即產(chǎn)生中斷；為FIFO模式時(shí)，只要FIFO中的資料達(dá)到觸發(fā)水平后，即產(chǎn)生中斷）

Tx Interrupt Type ：類同于Rx Interrupt Type

Clock SelecTIon ：選擇UART波特率發(fā)生器的時(shí)鐘源。

數(shù)據(jù)通信的幾種基本方式以及原理解析

圖5-14

UFCONn （UART FIFO Conrtol Register）見圖5-15

FIFO Enable ：FIFO使能選擇。

Rx FIFO Reset ：選擇當(dāng)復(fù)位接收FIFO時(shí)是否自動(dòng)清除FIFO中的內(nèi)容。

Tx FIFO Reset ：選擇當(dāng)復(fù)位發(fā)送FIFO時(shí)是否自動(dòng)清除FIFO中的內(nèi)容。

Rx FIFO Trigger Level ：選擇接收FIFO的觸發(fā)水平。

Tx FIFO Trigger Level ：選擇發(fā)送FIFO的觸發(fā)水平。

數(shù)據(jù)通信的幾種基本方式以及原理解析

圖5-15

UMCONn （UART Modem Control Register）見圖5-16

Request to Send ：如果在AFC模式下，該位將由UART控制器自動(dòng)設(shè)置；否則的話就必須由用戶的軟件來控制。

Auto Flow Control ：選擇是否使能自動(dòng)流控（AFC）。

數(shù)據(jù)通信的幾種基本方式以及原理解析

圖5-16

UTRSTATn （UART TX/RX Status Register）見圖5-17

Receive buffer data ready ：當(dāng)接收緩沖寄存器從UART接收端口接收到有效資料時(shí)將自動(dòng)置“1”。反之為“0”則表示緩沖器中沒有資料。

Transmit buffer empty ：當(dāng)發(fā)送緩沖寄存器中為空，自動(dòng)置“1”；反之表明緩沖器中正有資料等待發(fā)送。

Transmitter empty ：當(dāng)發(fā)送緩沖器中已經(jīng)沒有有效資料時(shí)，自動(dòng)置“1”；反之表明尚有資料未發(fā)送。

數(shù)據(jù)通信的幾種基本方式以及原理解析

圖5-17

UERSTATn （UART Error Status Register）見圖5-18

Overrun Error ：為“1”，表明發(fā)生Overrun錯(cuò)誤。

Frame Error ：為“1”。表明發(fā)生Frame（幀）錯(cuò)誤。

數(shù)據(jù)通信的幾種基本方式以及原理解析

圖5-18

UFSTATn?。海║ART　FIFO Status Register）見圖5-19

Rx FIFO Count ：接收FIFO中當(dāng)前存放的字節(jié)數(shù)。

Tx FIFO Count ：發(fā)送FIFO中當(dāng)前存放的字節(jié)數(shù)。

Rx FIFO Full ：為“1“表明接收FIFO已滿。

Tx FIFO Full ：為“1“表明發(fā)送FIFO已滿。

數(shù)據(jù)通信的幾種基本方式以及原理解析

圖5-19

UMSTATn?。海║ART　FIFO Status Register）見圖5-20

Clear to Send ：為“0”表示CTS無效；為“1”表示CTS有效。

Delta CTS ：指示自從上次CPU訪問該位后，nCTS的狀態(tài)有無發(fā)生改變。

為“0”則說明不曾改變；反之表明nCTS信號(hào)已經(jīng)變化了。

數(shù)據(jù)通信的幾種基本方式以及原理解析

圖5-20

UTXHn 和 URXHn 分別是UART發(fā)送和接收資料寄存器

這兩個(gè)寄存器存放著發(fā)送和接收的資料，當(dāng)然只有一個(gè)字節(jié)８位資料。需要注意的是在發(fā)生溢出錯(cuò)誤的時(shí)候，接收的資料必須要被讀出來，否則會(huì)引發(fā)下次溢出錯(cuò)誤

UBRDIVn ：（UART Baud Rate Divisor Register）見圖5-21

數(shù)據(jù)通信的幾種基本方式以及原理解析

圖5-21

關(guān)于UART波特率的計(jì)算方法，在前面的內(nèi)容中已經(jīng)有詳細(xì)的闡述，此處不做多余說明。

小結(jié)：讀寫狀態(tài)寄存器UTRSTAT 以及錯(cuò)誤狀態(tài)寄存UERSTAT，可以反映芯片目前的讀寫狀態(tài)以及錯(cuò)誤類型。FIFO 狀態(tài)寄存器UFSTAT 和MODEM 狀態(tài)寄存器UMSTAT，通過前者可以讀出目前FIFO 是否滿以及其中的字節(jié)數(shù)；通過后者可以讀出目前MODEM 的CTS狀態(tài)。