1　概述

計(jì)算機(jī)通信是指計(jì)算機(jī)與外界的信息傳輸，既包括計(jì)算機(jī)與計(jì)算機(jī)之間的傳輸，也包括計(jì)算機(jī)與外部設(shè)備，如U盤、打印機(jī)和磁盤等設(shè)備之間的傳輸。在通信領(lǐng)域內(nèi)，根據(jù)每次傳送的數(shù)據(jù)位數(shù)，計(jì)算機(jī)通信可分為：并行通信和串行通信。

串行通信是指計(jì)算機(jī)主機(jī)與外設(shè)之間以及主機(jī)系統(tǒng)與主機(jī)系統(tǒng)之間數(shù)據(jù)的串行傳送。使用一條數(shù)據(jù)線，將數(shù)據(jù)一位一位地依次傳輸，每一位數(shù)據(jù)占據(jù)一個(gè)固定的時(shí)間長度。其只需要少數(shù)幾條線就可以在系統(tǒng)間交換信息，特別適用于計(jì)算機(jī)與計(jì)算機(jī)、計(jì)算機(jī)與外設(shè)之間的遠(yuǎn)距離通信。

2　通信基礎(chǔ)

2.1　串行通信與并行通信

串行通信是通過一根數(shù)據(jù)線，一個(gè)bit一個(gè)bit地傳輸數(shù)據(jù)，且每個(gè)bit表示的值為0或1，信號(hào)線分為RXD（數(shù)據(jù)接收）、TXD（數(shù)據(jù)發(fā)送）兩根如圖 1所示。具有速度慢、信號(hào)線少、成本低的特點(diǎn)，適合遠(yuǎn)距離、低速率的數(shù)據(jù)傳輸。常見的串行通信應(yīng)用包括USB、SATA、以太網(wǎng)口、COM（RS232/RS485/RS422）等。

 

圖 1 串行通信

并行通信是通過數(shù)據(jù)線，一次傳輸和接收多個(gè)bit數(shù)據(jù)，如圖 2所示，每個(gè)bit的數(shù)據(jù)都有對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)線進(jìn)行傳輸，傳輸一次即可完成以個(gè)8個(gè)數(shù)據(jù)bit即一個(gè)Byte（字節(jié)）的數(shù)據(jù)以及1個(gè)校驗(yàn)bit數(shù)據(jù)，實(shí)際應(yīng)用中，有可能不是8bit數(shù)據(jù)，而是更多bit數(shù)據(jù)，如32bit、64bit等，但原理都是相同的，計(jì)算機(jī)內(nèi)部的總線結(jié)構(gòu)（PCI總線、PCIe總線、以及以前的并口硬盤、光驅(qū)等）就是典型的并行通信。并行通信具有傳輸效率高、使用信號(hào)線多、成本高、信號(hào)間電容會(huì)引起串?dāng)_，不適合遠(yuǎn)距離傳輸，一般用于外設(shè)與計(jì)算機(jī)終端設(shè)備間近距離、大量和快速的傳輸。

 

圖 2 并行通信

2.2　串行通信工作方式

計(jì)算機(jī)是以并行的方式來處理數(shù)據(jù)的，通過串行發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)候，先由具有幾位（8/16/32/64位）總線的計(jì)算機(jī)內(nèi)的發(fā)送設(shè)備，將幾位（8/16/32/64位）并行數(shù)據(jù)經(jīng)并——串轉(zhuǎn)換硬件轉(zhuǎn)換成串行方式，再逐位經(jīng)數(shù)據(jù)線到達(dá)接收站的設(shè)備中，并在接收端將數(shù)據(jù)從串行方式重新轉(zhuǎn)換成并行方式，以供接收方使用，如圖 3所示。串行通信時(shí)，數(shù)據(jù)的發(fā)送與接收需要時(shí)鐘進(jìn)行控制。

 

圖 3 計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)傳輸基本原理

根據(jù)串行通信時(shí)，收發(fā)雙方的始終是否相同，可以分為：異步通信和同步通信。

2.3　異步通信

如圖 4所示，發(fā)送與接收方各自配置有獨(dú)立的時(shí)鐘進(jìn)行控制，叫異步串行通信。

 

圖 4 異步串行通信

異步串行通信時(shí)，數(shù)據(jù)是以數(shù)據(jù)幀（每個(gè)數(shù)據(jù)幀傳送一個(gè)字符）來進(jìn)行傳輸?shù)模�異步通信�?shù)據(jù)幀結(jié)構(gòu)如下圖 5所示。

 

圖 5 異步通信數(shù)據(jù)幀格式

1. 以字符為單位進(jìn)行信息傳送，每次傳輸一個(gè)字符即一個(gè)數(shù)據(jù)幀；

2. 每個(gè)字符都是以起始位開始（“0”），以停止位（“1”，停止位為1~2位）結(jié)束；

3. 校驗(yàn)位分為奇校驗(yàn)（數(shù)據(jù)位加上這一位后，“1”的個(gè)數(shù)為奇數(shù)）與偶校驗(yàn)（數(shù)據(jù)位加上這一位后，“1”的個(gè)數(shù)為偶數(shù)），在通信過程中也可以不使用校驗(yàn)位；

4. 字符之間為空閑位，沒有嚴(yán)格的定時(shí)要求，因此，空閑位可以為多位；

案例1：某計(jì)算機(jī)采用異步串行通信方式，數(shù)據(jù)格式為：8位數(shù)據(jù)位，奇校驗(yàn)，2位停止位。試畫出傳送字符“A”時(shí)通信線路上的波形。

字符“A”的ASCLL碼為“65H”換成二進(jìn)制位0110 0101，從低位開始傳輸1010 0110。加上1位起始位“0”，后加奇校驗(yàn)位“1”（由于數(shù)據(jù)位“1”的個(gè)數(shù)為4個(gè)，偶數(shù)個(gè)，傳輸采用奇校驗(yàn)，因此需要填“1”，如果采用偶校驗(yàn)則填“0”），再加上2位停止位“11”。整個(gè)數(shù)據(jù)幀為0 1010 0110 1 11，波形如下

 

圖 6 “A”數(shù)據(jù)幀

異步通信中，在異步通行中有兩個(gè)比較重要的指標(biāo)：字符幀格式和波特率。數(shù)據(jù)通常以字符或者字節(jié)為單位組成字符幀傳送。字符幀由發(fā)送端逐幀發(fā)送，通過傳輸線被接收設(shè)備逐幀接收。 發(fā)送端和接收端可以由各自的時(shí)鐘來控制數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收，這兩個(gè)時(shí)鐘源彼此獨(dú)立，互不同步。接收端檢測到傳輸線上發(fā)送過來的低電平邏輯'0'（即字符幀起始位）時(shí)，確定發(fā)送端已開始發(fā)送數(shù)據(jù)，每當(dāng)接收端收到字符幀中的停止位時(shí)，就知道一幀字符已經(jīng)發(fā)送完畢。

2.4　同步通信

如圖 7所示，發(fā)送與接收由同一個(gè)時(shí)鐘控制，叫同步串行通信。

 

圖 7 同步串行通信

同步通信是一種連續(xù)串行傳送數(shù)據(jù)的通信方式， 一次通信只傳送一幀信息。這里的信息幀與異步通信中的字符幀不同，通常含有若干個(gè)數(shù)據(jù)字符。

它們均由同步字符、數(shù)據(jù)字符和校驗(yàn)字符（CRC）組成。 其中同步字符位于幀開頭，用于確認(rèn)數(shù)據(jù)字符的開始。數(shù)據(jù)字符在同步字符之后，個(gè)數(shù)沒有限制，由所需傳輸?shù)臄?shù)據(jù)塊長度來決定；校驗(yàn)字符有 1 到 2 個(gè)，用于接收端對(duì)接收到的字符序列進(jìn)行正確性的校驗(yàn)。 同步，通信的缺點(diǎn)是要求發(fā)送時(shí)鐘和接收時(shí)鐘保持嚴(yán)格的同步。

同步串行通信不使用起始位與停止位來標(biāo)識(shí)字符傳輸?shù)拈_始和結(jié)束，而使用特定的幀頭與幀尾，以固定的時(shí)鐘節(jié)拍來發(fā)送數(shù)據(jù)信號(hào)，每個(gè)字符間的時(shí)間間隔是相等的，而且每個(gè)字符中各相鄰位代碼間的時(shí)間間隔也是固定的，每個(gè)字符也可以對(duì)應(yīng)5~8位。同步串行通信現(xiàn)階段主要包括兩類通信種類：

1)面向字符（Character Oriented）的同步通信：

一個(gè)數(shù)據(jù)幀由若干個(gè)字符組成（IBM的BSC協(xié)議）；

 

圖 8 BSC協(xié)議數(shù)據(jù)幀格式

該協(xié)議規(guī)定了10個(gè)特殊字符（稱為控制字符）作為信息傳輸?shù)臉?biāo)志，其格式如圖 8所示：

1. SYN：同步字符（Synchronous character），每幀可加1個(gè)（單同步）或2個(gè)（雙同步）同步字符；

2. SOH：標(biāo)題開始（Start of Header）；

3. 標(biāo)題：Header，包含源地址（發(fā)送方地址）、目的地址（接收方地址）、路由指示；

4. STX：正文開始（Start of Text）；

5. 數(shù)據(jù)塊：正文（Text），由多個(gè)字符組成；

6. ETB：塊傳輸結(jié)束（end of transmission block），標(biāo)識(shí)本數(shù)據(jù)塊結(jié)束；

7. ETX：全文結(jié)束（end of text），（全文分為若干塊傳輸）；

8. 塊校驗(yàn)：對(duì)從SOH開始；

9. 直到ETB/ETX字段的檢驗(yàn)碼；

2)面向比特（Bit-Oriented）的同步通信：

一個(gè)數(shù)據(jù)幀由任意位bit組成，主要用于二進(jìn)制的傳輸；典型的面向位的同步協(xié)議如國際標(biāo)準(zhǔn)化組織（ISO）的高級(jí)數(shù)據(jù)鏈路控制規(guī)程HDLC和IBM的同步數(shù)據(jù)鏈路控制規(guī)程SDLC。

 

圖 9 SDLC數(shù)據(jù)格式

面向比特時(shí)，將數(shù)據(jù)塊看作數(shù)據(jù)流，

1. F場：開始于結(jié)束標(biāo)志；用序列01111110作為開始和結(jié)束標(biāo)志。為了避免在數(shù)據(jù)流中出現(xiàn)序列01111110時(shí)引起的混亂，發(fā)送方總是在其發(fā)送的數(shù)據(jù)流中每出現(xiàn)5個(gè)連續(xù)的“1”就插入一個(gè)附加的“0”；接收方則每檢測到5個(gè)連續(xù)的“1”并且其后有一個(gè)“0”時(shí)，就刪除該“0”。

2. A場：地址，規(guī)定接收方可為 8的整倍位。接收方檢查每個(gè)地址字節(jié)第 1位，如果為 '0' ，則后邊跟著另一個(gè)地址字節(jié)。若為 '1' ，則該字節(jié)為最后一個(gè)地址。

3. C場：控制場。指示信息場的類型，8位或16位。若第1字節(jié)的第1位為0，則還有第2個(gè)字節(jié)也是控制場。

4. I場：信息場。要傳送的數(shù)據(jù)

5. FC場：幀校驗(yàn)場。16位循環(huán)冗余校驗(yàn)碼CRC。除F場和自動(dòng)插入的'0'位外，均參加CRC計(jì)算。

2.5　通信模式

串行通信通常是在兩個(gè)站點(diǎn)（點(diǎn)對(duì)點(diǎn)）之間進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，按照數(shù)據(jù)流的傳輸方向課分成三種傳送模式。

單工通信模式

使用一根數(shù)據(jù)線，只允許在一個(gè)方向上傳送數(shù)據(jù)，主要表現(xiàn)在一端只發(fā)送，另一段只能接受，如我們的電視機(jī)，以及我們的遠(yuǎn)程控制（門禁、智能開關(guān)等）。

 

圖 10 單工通信

半雙工方式

使用同一根數(shù)據(jù)線，即可發(fā)送數(shù)據(jù)又可接收數(shù)據(jù)，但同一時(shí)刻只能進(jìn)行一個(gè)方向的傳送，如圖 11所示。半雙工通信每端需要一個(gè)收/發(fā)切換電子開關(guān)，在切換時(shí)，也會(huì)產(chǎn)生延遲。如我們的對(duì)講機(jī)、USB、打印機(jī)串口外設(shè)等。

 

圖 11 半雙工通信

全雙工方式

在兩個(gè)站點(diǎn)之間傳輸數(shù)據(jù)中，數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收分別在兩根數(shù)據(jù)線上同時(shí)進(jìn)行，通信雙方都能在同一時(shí)刻進(jìn)行數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收操作如圖 12所示。通常在交互式應(yīng)用、遠(yuǎn)程檢測控制場景。如電話通信、上網(wǎng)（登錄某個(gè)網(wǎng)站，進(jìn)行上傳、下載文件）、兩臺(tái)計(jì)算機(jī)通過網(wǎng)線傳送文件電影等。

 

圖 12 全雙工通信

異步通信和同步通信的比較

1. 異步通信簡單，雙方時(shí)鐘可允許一定誤差。同步通信較復(fù)雜，雙方時(shí)鐘的允許誤差較小；

2. 異步通信只適用于點(diǎn)←→點(diǎn)，同步通信可用于點(diǎn)←→多；

3. 通信效率：異步通信低，同步通信高。

2.6　傳輸速率

傳輸速率是指每秒鐘傳送的二進(jìn)制位數(shù)，通常稱為波特率（Band Rate）。

即：1波特 = 1bit/s （位/秒）

國際上規(guī)定了標(biāo)準(zhǔn)波特率系列，最常用的標(biāo)準(zhǔn)波特率是：110、300、600、1200、l800、2400、4800、9600、115200、19200波特等。

3　RS232串行接口標(biāo)準(zhǔn)

3.1　RS232串口簡介

RS232串口是美國電子工業(yè)協(xié)會(huì)EIA于1962年發(fā)布，并于1969年修訂的串行接口標(biāo)準(zhǔn)，已成為國際上通用的標(biāo)準(zhǔn)，標(biāo)準(zhǔn)代號(hào)EIA-RS-232C。RS是英文“推薦標(biāo)準(zhǔn)”的縮寫，232為標(biāo)識(shí)號(hào)，C表示修改次數(shù)。該標(biāo)準(zhǔn)定義了DTE（Data Terminal Equipment，數(shù)據(jù)終端設(shè)備）與DCE（Data Communication Equipment，數(shù)據(jù)通信設(shè)備）兩者間按串行傳輸信息的接口的機(jī)械特性、電氣特性、功能特性。標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定采用DB25連接器進(jìn)行通信連接，IBM將RS232簡化成DB9連接器，DB9連接器由于使用更簡單，得到更普遍的應(yīng)用。

標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定DB25或DB9連接器公頭做為DTE設(shè)備端接口插座DB25或DB9連接器母頭做為DCE設(shè)備端接口插座，如圖 13所示。

 

圖13 連接器示意圖

3.2　機(jī)械特性

EIA-RS-232C標(biāo)準(zhǔn)對(duì)針連接器的引腳定義做出了規(guī)定，如圖 14所示。

 

圖 14 針連接器（公頭）引腳定義

3.3　功能特性

RS-232C最初設(shè)計(jì)為計(jì)算機(jī)（稱為數(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（如MODEM）的連接，如圖 15所示。

 

圖 15 通過調(diào)制解調(diào)器連接

通過MODEM接入電話網(wǎng)絡(luò)，可連接世界上任何接入電話網(wǎng)絡(luò)的主機(jī)，該種網(wǎng)絡(luò)連接方法在90年代較為常見，作者在08年在某軍工企業(yè)工作時(shí)候，也曾使用該網(wǎng)絡(luò)連接方法，與軍方某研究所人員進(jìn)行文件傳輸，這種點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的撥號(hào)連接，可不經(jīng)過第三方服務(wù)器即可完成文件傳輸，相關(guān)方法步驟如下：

1）通過串口線把臺(tái)式機(jī)上的COM1串口與串口撥號(hào)貓（某寶上搜尋56K撥號(hào)貓應(yīng)能找到）；

2）把座機(jī)的電話線拔掉，插到撥號(hào)貓的電話口上，對(duì)端計(jì)算機(jī)也照此連接；

3）線路連接好后，可通過超級(jí)終端軟件進(jìn)行撥號(hào)連接，打開超級(jí)終端，在'待撥電話詳細(xì)資料'中選擇國家代碼為中國(86)，輸入朋友的電話號(hào)碼和區(qū)號(hào)（如果同城就直無須國家代碼與區(qū)號(hào)）；“確定”后彈出一個(gè)'連接'對(duì)話框，這時(shí)不用理它，單擊'取消'，這樣'超級(jí)終端'的配置工作就算完成了。當(dāng)然，另一臺(tái)遠(yuǎn)程機(jī)器也必須進(jìn)行同樣的配置，只不過他填的是我的區(qū)號(hào)與電話號(hào)碼。

RS-232C標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的數(shù)據(jù)傳輸速率為每秒50、75、 100、150、300、600、1200、2400、4800、9600、19200波特 。

現(xiàn)階段，通過電話網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行撥號(hào)網(wǎng)絡(luò)連接的應(yīng)用已很少見，工業(yè)引用領(lǐng)域，更多常見的應(yīng)用場景的是近距離（＜15m）DTE設(shè)備與DTE設(shè)備直連，如計(jì)算機(jī)與計(jì)算機(jī)、計(jì)算機(jī)與網(wǎng)絡(luò)設(shè)備（路由器、交換機(jī)等）管理口連接等。在應(yīng)用時(shí)，則需要把收發(fā)信號(hào)進(jìn)行交叉連接，如圖 16所示。

 

圖 16 DTE設(shè)備與DTE設(shè)備連接

3.4　電氣特性

EIA-RS-232C標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定：

邏輯“1”信號(hào)，電平在 –3V ~ -15V 之間；

邏輯“0”信號(hào)，電平在 +3V ~ +15V 之間；

在實(shí)際應(yīng)用中，常采用±12 V或±15V。RS-232C可承受±25 V的信號(hào)電壓。另外，要注意RS-232C數(shù)據(jù)線TXD和RXD使用負(fù)邏輯，即高電平表示邏輯0，用符號(hào)SPACE（空號(hào)）表示；低電平表示邏輯1，用符號(hào)MARK（傳號(hào)）表示。其它控制線均為正邏輯，高電平有效，為ON狀態(tài)；低電平無效，為OFF狀態(tài)。

在串口電路設(shè)計(jì)時(shí)，由于發(fā)送器/接收器芯片使用TTL電平，但RS-232C卻使用上述EIA電平，所以為滿足EIA電氣特性，必須在發(fā)送器/接收器與RS-232C接口之間使用轉(zhuǎn)換器件。如SN75150、 MC1488等芯片完成TTL電平到EIA電平的轉(zhuǎn)換，而SN75154、MCI489等芯片可完成EIA電平到TTL電平的轉(zhuǎn)換。

電平轉(zhuǎn)換器不僅可以由晶體管分立元件構(gòu)成，也可以直接使用集成電路。目前美信的MAX232芯片使用較多，該芯片使用單端+5V電源供電實(shí)現(xiàn)電平轉(zhuǎn)換。