RS232技术详解.docx
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RS232技术详解
RS232技术详解
（1）
串行通信接口标准经过使用和发展，目前已经有几种。
但都是在RS-232标准的基础上经过改进而形成的。
所以，以RS-232C为主来讨论。
RS-323C标准是美国EIA（电子工业联合会）与BELL等公司一起开发的1969年公布的通信协议。
它适合于数据传输速率在0～20000b/s范围内的通信。
这个标准对串行通信接口的有关问题，如信号线功能、电器特性都作了明确规定。
由于通行设备厂商都生产与RS-232C制式兼容的通信设备，因此，它作为一种标准，目前已在微机通信接口中广泛采用。
在讨论RS-232C接口标准的内容之前，先说明两点：
首先，RS-232-C标准最初是远程通信连接数据终端设备DTE（DataTerminalEquipment）与数据通信设备DCE（DataCommunicationEquipment）而制定的。
因此这个标准的制定，并未考虑计算机系统的应用要求。
但目前它又广泛地被借来用于计算机（更准确的说，是计算机接口）与终端或外设之间的近端连接标准。
显然，这个标准的有些规定及和计算机系统是不一致的，甚至是相矛盾的。
有了对这种背景的了解，我们对RS-232C标准与计算机不兼容的地方就不难理解了。
其次，RS-232C标准中所提到的“发送”和“接收”，都是站在DTE立场上，而不是站在DCE的立场来定义的。
由于在计算机系统中，往往是CPU和I/O设备之间传送信息，两者都是DTE，因此双方都能发送和接收。
一、RS-232-C
RS-232C标准（协议）的全称是EIA-RS-232C标准，其中EIA（ElectronicIndustryAssociation）代表美国电子工业协会，RS（ecommededstandard）代表推荐标准，232是标识号，C代表RS232的最新一次修改（1969），在这之前，有RS232B、RS232A。
。
它规定连接电缆和机械、电气特性、信号功能及传送过程。
常用物理标准还有有EIA�RS-232-C、EIA�RS-422-A、EIA�RS-423A、EIA�RS-485。
这里只介绍EIA�RS-232-C（简称232，RS232）。
例如，目前在IBMPC机上的COM1、COM2接口，就是RS-232C接口。
1.电气特性
EIA-RS-232C对电器特性、逻辑电平和各种信号线功能都作了规定。
在TxD和RxD上：
逻辑1（MARK）=-3V～-15V
逻辑0（SPACE）=+3～＋15V
在RTS、CTS、DSR、DTR和DCD等控制线上：
信号有效（接通，ON状态，正电压）＝+3V～+15V
信号无效（断开，OFF状态，负电压）=-3V～-15V
图1
以上规定说明了RS-323C标准对逻辑电平的定义。
对于数据（信息码）：
逻辑“1”（传号）的电平低于-3V，逻辑“0”（空号）的电平告语+3V；对于控制信号；接通状态（ON）即信号有效的电平高于+3V，断开状态（OFF）即信号无效的电平低于-3V，也就是当传输电平的绝对值大于3V时，电路可以有效地检查出来，介于-3～+3V之间的电压无意义，低于-15V或高于+15V的电压也认为无意义，因此，实际工作时，应保证电平在±（3～15）V之间。
EIA-RS-232C与TTL转换：
EIA-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，为了能够同计算机接口或终端的TTL器件连接，必须在EIA-RS-232C与TTL电路之间进行电平和逻辑关系的变换。
实现这种变换的方法可用分立元件，也可用集成电路芯片。
目前较为广泛地使用集成电路转换器件，如MC1488、SN75150芯片可完成TTL电平到EIA电平的转换，而MC1489、SN75154可实现EIA电平到TTL电平的转换。
MAX232芯片可完成TTL←→EIA双向电平转换，图1显示了1488和1489的内部结构和引脚。
MC1488的引脚
（2）、（4,5）、（9,10）和（12,13）接TTL输入。
引脚3、6、8、11输出端接EIA-RS-232C。
MC1498的14的1、4、10、13脚接EIA输入，而3、6、8、11脚接TTL输出。
具体连接方法如图2所示。
图中的左边是微机串行接口电路中的主芯片UART，它是TTL器件，右边是EIA-RS-232C连接器，要求EIA高电压。
因此，RS-232C所有的输出、输入信号都要分别经过MC1488和MC1498转换器，进行电平转换后才能送到连接器上去或从连接器上送进来。
图2
2、、连接器的机械特性：
连接器：
由于RS-232C并未定义连接器的物理特性，因此，出现了DB-25、DB-15和DB-9各种类型的连接器，其引脚的定义也各不相同。
下面分别介绍两种连接器。
（1）DB-25：
PC和XT机采用DB-25型连接器。
DB-25连接器定义了25根信号线，分为4组：
①异步通信的9个电压信号（含信号地SG）2，3，4，5，6，7，8，20，22
②20mA电流环信号9个（12，13，14，15，16，17，19,23，24）
③空6个（9，10，11，18，21，25）
④保护地（PE）1个，作为设备接地端（1脚）
DB-25型连接器的外形及信号线分配如图3所示。
注意，20mA电流环信号仅IBMPC和IBMPC/XT机提供，至AT机及以后，已不支持。
图3
（2）DB-9连接器
在AT机及以后，不支持20mA电流环接口，使用DB-9连接器，作为提供多功能I/O卡或主板上COM1和COM2两个串行接口的连接器。
它只提供异步通信的9个信号。
DB-25型连接器的引脚分配与DB-25型引脚信号完全不同。
因此，若与配接DB-25型连接器的DCE设备连接，必须使用专门的电缆线。
电缆长度：
在通信速率低于20kb/s时，RS-232C所直接连接的最大物理距离为15m（50英尺）。
最大直接传输距离说明：
RS-232C标准规定，若不使用MODEM，在码元畸变小于4%的情况下，DTE和DCE之间最大传输距离为15m（50英尺）。
可见这个最大的距离是在码元畸变小于4%的前提下给出的。
为了保证码元畸变小于4%的要求，接口标准在电气特性中规定，驱动器的负载电容应小于2500pF。
3、RS-232C的接口信号
RS-232C规标准接口有25条线，4条数据线、11条控制线、3条定时线、7条备用和未定义线，常用的只有9根，它们是：
（1）联络控制信号线：
数据装置准备好（Datasetready-DSR）——有效时（ON）状态，表明MODEM处于可以使用的状态。
数据终端准备好（Datasetready-DTR）——有效时（ON）状态，表明数据终端可以使用。
这两个信号有时连到电源上，一上电就立即有效。
这两个设备状态信号有效，只表示设备本身可用，并不说明通信链路可以开始进行通信了，能否开始进行通信要由下面的控制信号决定。
请求发送（Requesttosend-RTS）——用来表示DTE请求DCE发送数据，即当终端要发送数据时，使该信号有效（ON状态），向MODEM请求发送。
它用来控制MODEM是否要进入发送状态。
允许发送（Cleartosend-CTS）——用来表示DCE准备好接收DTE发来的数据，是对请求发送信号RTS的响应信号。
当MODEM已准备好接收终端传来的数据，并向前发送时，使该信号有效，通知终端开始沿发送数据线TxD发送数据。
这对RTS/CTS请求应答联络信号是用于半双工MODEM系统中发送方式和接收方式之间的切换。
在全双工系统中作发送方式和接收方式之间的切换。
在全双工系统中，因配置双向通道，故不需要RTS/CTS联络信号，使其变高。
接收线信号检出（ReceivedLinedetection-RLSD）——用来表示DCE已接通通信链路，告知DTE准备接收数据。
当本地的MODEM收到由通信链路另一端（远地）的MODEM送来的载波信号时，使RLSD信号有效，通知终端准备接收，并且由MODEM将接收下来的载波信号解调成数字两数据后，沿接收数据线RxD送到终端。
此线也叫做数据载波检出（DataCarrierdectection-DCD）线。
振铃指示（Ringing-RI）——当MODEM收到交换台送来的振铃呼叫信号时，使该信号有效（ON状态），通知终端，已被呼叫。
（2）数据发送与接收线：
发送数据（Transmitteddata-TxD）——通过TxD终端将串行数据发送到MODEM，（DTE→DCE）。
接收数据（Receiveddata-RxD）——通过RxD线终端接收从MODEM发来的串行数据，（DCE→DTE）。
（3）地线
有两根线SG、PG——信号地和保护地信号线，无方向。
上述控制信号线何时有效，何时无效的顺序表示了接口信号的传送过程。
例如，只有当DSR和DTR都处于有效（ON）状态时，才能在DTE和DCE之间进行传送操作。
若DTE要发送数据，则预先将DTR线置成有效（ON）状态，等CTS线上收到有效（ON）状态的回答后，才能在TxD线上发送串行数据。
这种顺序的规定对半双工的通信线路特别有用，因为半双工的通信才能确定DCE已由接收方向改为发送方向，这时线路才能开始发送。
2个数据信号：
发送TXD；接收RXD。
1个信号地线：
SG。
6个控制信号：
DSR��数传机（即modem）准备好，DataSetReady.
DTR��数据终端（DTE，即微机接口电路，如Intel8250/8251,16550）准备好，DataTerminalReady。
RTS��DTE请求DCE发送（RequestToSend）。
CTS��DCE允许DTE发送（ClearToSend）,该信号是对RTS信号的回答。
DCD��数据载波检出，DataCarrierDetection当本地DCE设备（Modem）收到对方的DCE设备送来的载波信号时，使DCD有效，通知DTE准备接收，并且由DCE将接收到的载波信号解调为数字信号，经RXD线送给DTE。
RI��振铃信号Ringing当DCE收到交换机送来的振铃呼叫信号时，使该信号有效，通知DTE已被呼叫。
232引脚
CCITT
Modem
名称
说明
用途
异步
同步
1
101
AA
保护地
设备外壳接地
PE
PE√
2
103
BA
发送数据
数据送Modem
TXD
3
104
BB
接收数据
从Modem接收数据
RXD
4
105
CA
请求发送
在半双工时控制发送器的开和关
RTS
5
106
CB
允许发送
Modem允许发送
CTS
6
107
CC
数据终端准备好
Modem准备好
DSR
7
102
AB
信号地
信号公共地
SG
SG√
8
109
CF
载波信号检测
Modem正在接收另一端送来的信号
DCD
9
空
10
空
11
空
12
接收信号检测
（2）
在第二通道检测到信号
√
13
允许发送
（2）
第二通道允许发送
√
14
118
发送数据
（2）
第二通道发送数据
√
15
113
DA
发送器定时
为Modem提供发送器定时信号
√
16
119
接收数据
（2）
第二通道接收数据
√
17
115
DD
接收器定时
为接口和终端提供定时
√
18
空
19
请求发送
（2）
连接第二通道的发送器
√
20
108
CD
数据终端准备好
数据终端准备好
DTR
21
空
22
125
振铃
振铃指示
RI
23
111
CH
数据率选择
选择两个同步数据率
√
24
114
DB
发送器定时
为接口和终端提供定时
√
25
空
RS232技术详解
（2）
一、远距离通信
第1和第2中情况是属于远距离通信（传输距离大于15m的通信）的例子，故一般要加调制解调器MODEM，因此使用的信号线较多。
注意：
在以下各图中，DTE信号为RS-232-C信号，DTE与计算机间的电平转换电路未画出。
1、采用Modem（DCE）和电话网通信时的信号连接：
若在双方MODEM之间采用普通电话交换线进行通信，除了需要2～8号信号线外还要增加RI（22号）和DTR（20号）两个信号线进行联络，如图1所示。
图1
DSR、DTR：
数传机（DCE）准备好、数据终端（DTE）准备好，只表示设备本身可用。
首先，通过电话机拔号呼叫对方，电话交换台向对方发出拔号呼叫信号，当对方DCE收到该信号后，使RI（振铃信号）有效，通知DTE，已被呼叫。
当对方“摘机”后，两方建立了通信链路。
若计算机要发送数据至对方，首先通过接口电路（DTE）发出RTS（请求发送）信号。
此时，若DCE（Modem）允许传送，则向DTE回答CTS（允许发送）信号。
一般可直接将RTS/CTS接高电平，即只要通信链路已建立，就可传送信号。
（RTS/CTS可只用于半双工系统中作发送方式和接收方式的切换。
当DTE获得CTS信号后，通过TXD线向DCE发出串行信号，DCE（Modem）将这些数字信号调制成模拟信号（又称载波信号），传向对方。
计算机向DTE“数据输出寄存器”传送新的数据前，应检查Modem状态和数据输出寄存器为空。
当对方的DCE收到载波信号后，向对方的DTE发出DCD信号（数据载波检出），通知其DTE准备接收，同时，将载波信号解调为数据信号，从RXD线上送给DTE，DTE通过串行接收移位寄存器对接收到的位流进行移位，当收到1个字符的全部位流后，把该字符的数据位送到数据输入寄存器，CPU可以从数据输入寄存器读取字符。
2、采用专用电话线通信：
在通信双方的MODEM之间采用电话线进行通信，则只要使用2～8号信号线进行联络与控制。
不需要电话机、振铃信号RI和DTR信号，其信号线的连接如图2那样。
图2
二、近距离通信：
当通信距离较近时，可不需要Modem，通信双方可以直接连接，这种情况下，只需使用少数几根信号线。
最简单的情况，在通信中根本不需要RS-232C的控制联络信号，只需三根线（发送线、接收线、信号地线）便可实现全双工异步串行通信，即是这里要讨论的第一种情况。
无Modem时，最大通信距离按如下方式计算：
RS-232C标准规定：
当误码率小于4%时，要求导线的电容值应小于2500PF。
对于普通导线，其电容值约为170PF/M。
则允许距离L=2500PF/（170PF/M）=15M
这一距离的计算，是偏于保守的，实际应用中，当使用9600bps，普通双绞屏蔽线时，距离可达30~35米。
1、零Modem的最简连线（3线制）
图3是零MODEM方式的最简单连接（即三线连接），图中的2号线与3号线交叉连接是因为在直连方式时，把通信双方都当作数据终端设备看待，双方都可发也可收。
在这种方式下，通信双方的任何一方，只要请求发送RTS有效和数据终端准备好DTR有效就能开始发送和接收。
图3
（1）RTS与CTS互联：
只要请求发送，立即得到允许
（2）DTR与DSR互联：
只要本端准备好，认为本端立即可以接收（DSR、数传机准备好）。
2、零Modem标准连接：
如果想在直接连接时，而又考虑到RS-232C的联络控制信号，则采用零MODEM方式的标准连接方法，其通信双方信号线安排如下1-2-3-4-5顺序所演示的那样。
无Modem的标准联线（7线制）如图所示：
从中可以看出，RS-232C接口标准定义的所有信号线都用到了，并且是按照DTE和DCE之间信息交换协议的要求进行连接的，只不过是把DTE自己发出的信号线送过来，当作对方DCE发来的信号，因此，又把这种连接称为双叉环回接口。
双方的握手信号关系如下（注：
甲方乙方并未在图中标出）：
（1）当甲方的DTE准备好，发出DTR信号，该信号直接联至乙方的RI（振铃信号）和DSR（数传机准备好）。
即只要甲方准备好，乙方立即产生呼叫（RI）有效，并同时准备好（DSR）。
尽管此时乙方并不存在DCE（数传机）。
（2）甲方的RTS和CTS相连，并与乙方的DCD互连。
即：
一旦甲方请求发送（RTS），便立即得到允许（CTS），同时，使乙方的DCD有效，即检测到载波信号。
（3）甲方的TXD与乙方的RXD相连，一发一收。
1
2
3
4
接口技术的基本知识
CPU与外部设备、存储器的连接和数据交换都需要通过接口设备来实现，前者被称为I/O接口，而后者则被称为存储器接口。
存储器通常在CPU的同步控制下工作，接口电路比较简单；而I/O设备品种繁多，其相应的接口电路也各不相同，因此，习惯上说到接口只是指I/O接口。
一、I/0接口的概念
1、接口的分类
I/O接口的功能是负责实现CPU通过系统总线把I/O电路和外围设备联系在一起，按照电路和设备的复杂程度，I/O接口的硬件主要分为两大类：
（1）I/O接口芯片
这些芯片大都是集成电路，通过CPU输入不同的命令和参数，并控制相关的I/O电路和简单的外设作相应的操作，常见的接口芯片如定时／计数器、中断控制器、DMA控制器、并行接口等。
（2）I/O接口控制卡
有若干个集成电路按一定的逻辑组成为一个部件，或者直接与CPU同在主板上，或是一个插件插在系统总线插槽上。
按照接口的连接对象来分，又可以将他们分为串行接口、并行接口、键盘接口和磁盘接口等。
2、接口的功能
由于计算机的外围设备品种繁多，几乎都采用了机电传动设备，因此，CPU在与I/O设备进行数据交换时存在以下问题：
速度不匹配：
I/O设备的工作速度要比CPU慢许多，而且由于种类的不同，他们之间的速度差异也很大，例如硬盘的传输速度就要比打印机快出很多。
时序不匹配：
各个I/O设备都有自己的定时控制电路，以自己的速度传输数据，无法与CPU的时序取得统一。
信息格式不匹配：
不同的I/O设备存储和处理信息的格式不同，例如可以分为串行和并行两种；也可以分为二进制格式、ACSII编码和BCD编码等。
信息类型不匹配：
不同I／O设备采用的信号类型不同，有些是数字信号，而有些是模拟信号，因此所采用的处理方式也不同。
基于以上原因，CPU与外设之间的数据交换必须通过接口来完成，通常接口有以下一些功能：
（1）设置数据的寄存、缓冲逻辑，以适应CPU与外设之间的速度差异，接口通常由一些寄存器或RAM芯片组成，如果芯片足够大还可以实现批量数据的传输；
（2）能够进行信息格式的转换，例如串行和并行的转换；
（3）能够协调CPU和外设两者在信息的类型和电平的差异，如电平转换驱动器、数／模或模／数转换器等；
（4）协调时序差异；
（5）地址译码和设备选择功能；
（6）设置中断和DMA控制逻辑，以保证在中断和DMA允许的情况下产生中断和DMA请求信号，并在接受到中断和DMA应答之后完成中断处理和DMA传输。
3、接口的控制方式
CPU通过接口对外设进行控制的方式有以下几种：
（1）程序查询方式
这种方式下，CPU通过I/O指令询问指定外设当前的状态，如果外设准备就绪，则进行数据的输入或输出，否则CPU等待，循环查询。
这种方式的优点是结构简单，只需要少量的硬件电路即可，缺点是由于CPU的速度远远高于外设，因此通常处于等待状态，工作效率很低
（2）中断处理方式
在这种方式下，CPU不再被动等待，而是可以执行其他程序，一旦外设为数据交换准备就绪，可以向CPU提出服务请求，CPU如果响应该请求，便暂时停止当前程序的执行，转去执行与该请求对应的服务程序，完成后，再继续执行原来被中断的程序。
中断处理方式的优点是显而易见的，它不但为CPU省去了查询外设状态和等待外设就绪所花费的时间，提高了CPU的工作效率，还满足了外设的实时要求。
但需要为每个I／O设备分配一个中断请求号和相应的中断服务程序，此外还需要一个中断控制器（I／O接口芯片）管理I／O设备提出的中断请求，例如设置中断屏蔽、中断请求优先级等。
此外，中断处理方式的缺点是每传送一个字符都要进行中断，启动中断控制器，还要保留和恢复现场以便能继续原程序的执行，花费的工作量很大，这样如果需要大量数据交换，系统的性能会很低。
（3）DMA（直接存储器存取）传送方式
DMA最明显的一个特点是它不是用软件而是采用一个专门的控制器来控制内存与外设之间的数据交流，无须CPU介入，大大提高CPU的工作效率。
在进行DMA数据传送之前，DMA控制器会向CPU申请总线控制权，CPU如果允许，则将控制权交出，因此，在数据交换时，总线控制权由DMA控制器掌握，在传输结束后，DMA控制器将总线控制权交还给CPU。
二、常见接口
1、并行接口
目前，计算机中的并行接口主要作为打印机端口，接口使用的不再是36针接头而是25针D形接头。
所谓“并行”，是指8位数据同时通过并行线进行传送，这样数据传送速度大大提高，但并行传送的线路长度受到限制，因为长度增加，干扰就会增加，容易出错。
现在有五种常见的并口：
4位、8位、半8位、EPP和ECP，大多数PC机配有4位或8位的并口，许多利用Intel386芯片组的便携机配有EPP口，支持全部IEEE1284并口规格的计算机配有ECP并口。
标准并行口4位、8位、半8位：
4位口一次只能输入4位数据，但可以输出8位数据；8位口可以一次输入和输出8位数据；半8位也可以。
EPP口（增强并行口）：
由Intel等公司开发，允许8位双向数据传送，可以连接各种非打印机设备，如扫描仪、LAN适配器、磁盘驱动器和CDROM驱动器等。
ECP口（扩展并行口）：
由Microsoft、HP公司开发，能支持命令周期、数据周期和多个逻辑设备寻址，在多任务环境下可以使用DMA（直接存储器访问）。
目前几乎所有的586机的主板都集成了并行口插座，标注为Paralle1或LPT1，是一个26针的双排针插座。
2、串行接口
计算机的另一种标准接口是串行口，现在的PC机一般至少有两个串行口COM1和COM2。
串行口不同于并行口之处在于它的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，但传送距离较并行口更长，因此长距离的通信应使用串行口。
通常COM1使用的是9针D形连接器，而COM2有些使用的是老式的DB25针连接器。
3、磁盘接口
（1）IDE接口
IDE接口也叫做ATA端口，只可以接两个容量不超过528M的硬盘驱动器，接口的成本很低，因此在386、486时期非常流行。
但大多数IDE接口不支持DMA数据传送，只能使用标准的PCI／O端口指令来传送所有的命令、状态、数据。
几乎所有的586主板上都集成了两个40针的双排针IDE接口插座，分别标注为IDE1和IDE2。
（2）EIDE接口
EID
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