CyC qCm LBzPC I/O m T

(1)

林銘波編著 --- 全華科技圖書公司 15.1

三種基本資料轉移模式

計算機顯示器

(a)

單工

(

單向轉移

)

計算機終端機

(b)

半多工傳送與接收不能同時進行

計算機終端機

(c)

全多工傳送與接收可以同時進行

微算機基本原理與應用第15章串列I/O、界面、與應用

微處理器與串列I/O裝置的界接

CPU

界面電路串列 I/O 裝置

並列資料匯流排串列資料

(2)

非同步串列資訊標準格式(TTL信號)

1 2 4 4 3

同位位元或第 9個資料位元

STOP位元 START位元

1 44 2 44 3

5到8個資料位元

MARK MARK

資料字元(01001101)的波形

偶同位位元

STOP

位元

START

位元

8

個資料位元

MARK

1 44 2 44 3 ^MARK t

(3)

連續傳送兩個資料字元

偶同位位元 STOP START位元位元

8個資料位元 MARK

t

1 44 2 44 3

START位元 8個資料位元

偶同位位元 STOP

位元

6 44

^{第一個字元}

7 44 8

^{第二個字元}

1 44 2 44 3

6 44 7 44 8

在不同取樣頻率下的非同步串列資料的接收

RxD RxC 取樣脈波

中心點中心點 (a) RxC 1

×

RxD

RxC 取樣脈波

(b) RxC 4

×

(4)

同步串列資料轉移的資料框格式

SYN SYN SOH 抬頭 STX 資訊(256/512B) ETX BCC

(a) 首、尾旗號方式

(b) 字元長度方式

7E 位址控制資訊 CRC 7E

BISYNC

HDLC

Ethernet PPP 7E FF 03 協定資訊( 1,500B)

≤

CRC 7E

冠碼 DA SA 長度資訊( 1,500B)

≤

PAD CRC

VRC與LRC檢查

P D7 D6 D5 D4 D3 D2 D1 D0 0 1 0 1 0 1 0 1 0 0 0 1 0 1 1 1 0 0 1 1 0 1 1 0 1 0 1 0 0 1 0 1 0 1 1 0 1 1 0 1 1 1 0 0 1 0 1 1 0 0 0 1 1 0 0 1 1 1 0 0 0 1 0 0 1 0 0 0 1 1 1 0

VRC偶同位位元 (a) VRC檢查

D7 D6 D5 D4 D3 D2 D1 D0 1 0 1 0 1 0 1 0 0 1 0 1 1 1 0 0 1 0 1 1 0 1 0 1 0 1 0 1 0 1 1 0 1 0 1 1 1 0 0 1 1 1 0 0 0 1 1 0 1 1 1 0 0 0 1 0 1 0 0 0 1 1 1 0 0 0 0 0 0 1 1 0

LRC偶同位位元 (b) LRC檢查

(5)

VRC與LRC檢查

LRC偶同位位元

(c) LRC與VRC合併使用 D7 D6 D5 D4 D3 D2 D1 D0 P

1 0 1 0 1 0 1 0 0 0 1 0 1 1 1 0 0 0 1 0 1 1 0 1 0 1 1 0 1 0 1 0 1 1 0 0 1 0 1 1 1 0 0 1 1 1 1 0 0 0 1 1 0 0 1 1 1 0 0 0 1 0 0 1 0 0 0 1 1 1 0 0 0 0 0 0 0 1 1 0 0

VRC 偶同位位元

CRC檢查

餘式計算的方法

1. 設 G(x)為 r 階多項式，在欲傳送資訊 D(x)的尾端加 r 個 0 ； 2. 將步驟 1 得到的資訊位元串除以 G(x)位元串(使用 modulo 2 除法)；

3. 將步驟 1 得到的資訊位元串減去餘式(使用 modulo 2 減法)，結果即為真正傳 送的資訊位元串 T(x)。

(6)

CRC檢查

10011 11010110110000 10011

10011 10011 00001 00000 00010

1100001010

00000 00101

00000 01011

00000 10110

10011 01010 00000 10100 10011 01110 00000 1110 T’(x) G (x)

R(x)

(a) 產生餘式 (b) 檢查餘式

10011 11010110111110 10011

10011 10011 00001 00000 00010

1100001010

00000 00101

00000 01011

00000 10111

10011 01001 00000 10011 10011 00000 00000 00000 T (x) G(x)

R(x)

CRC多項式執行電路

D CK

Q Q'

D CK

Q Q'

D CK

Q Q' D

CK Q

0 Q' a₁ 1 a₂ 2 k-1

a₀ a_k-1 a_k

CP

D(x)

G x ( ) = a x

_k ^k

+ a

_k₋1

x

^k⁻1

+ + a x a +

1 0

LL

x

³²

+ x

²⁶

+ x

²³

+ x

¹⁶

+ x

¹²

+ x

¹¹

+ x

¹⁰

+ x

⁸

+ x

⁷

+ x

⁵

+ x

⁴

+ x

²

+ + x 1 x

¹⁶

+ x

¹⁵

+ x

²

+ 1

CRC-16 =

CRC-32 =

(7)

CRC多項式執行電路

D CK

Q Q'

D CK

Q Q'

D CK

Q Q' D

CK Q

0

Q' a

₁ 1 2 3

a

₀

a

₄

CP

D(x)

G x 9 ) = x

⁴

+ + x 1

CRC多項式執行電路

(=D’) (=D’ ⊕^Q0) ^(=Q3⊕^D)

Q0 Q1 Q2 Q3 D D’

0 0 0 0 1 1

1 1 0 0 1 1

1 0 1 0 0 0

0 1 0 1 1 0

0 0 1 0 0 0

0 0 0 1 1 0

0 0 0 0 1 1

1 1 0 0 0 0

0 1 1 0 1 1

1 1 1 1 1 0

0 1 1 1 1 0

0 0 1 1 1 0

0 0 0 1 1 0

0 0 0 0 0 0

R(x) 接收端

餘式為0沒有錯誤發生

(8)

近距離的數據通信

PC1 PC2

RS-232

(a) 近距離的數據通信例

PC 1 信號接腳 2(傳送資料) 3(接收資料) 7(信號接地)

PC 2 信號接腳 2(傳送資料) 3(接收資料) 7(信號接地) (b) RS-232信號連接

典型的數據通信系統(利用電話網路)

數據機

電話線 codec

RS-232

端局

數據機

電話線

codec RS-232

端局 codec

codec 數據機陣列

數位傳輸線

ISP 2 ISP 1

數位傳輸幹線 PC 1

PC 2

(9)

RS-232界面的9/25接腳連接器

1 13

14 25

(b) DB25連接器

1 5

6 9

(a) DB9連接器

與數據機相關的控制線

• CTS(clear to send，CB，接腳5)

• DCD(data carrier detect，CF，接腳8)

• DSR(data set ready，CC，接腳6)

• DTR(data terminal ready，CD，接腳20)

• RTS(request to send，CA，接腳4)

• RI(ring，CE，接腳22)

(10)

資料交換協定

資料傳送演算法

BEGIN

1. PC 啟動 DTR ；

2. 若 DSR 信號尚未啟動，則持續等待到啟動為止；

3. 經由 AT 命令，指引數據機產生”拿起話筒”的信號，與進行撥號的動作；

4. 數據機持續監視電話線上的信號，直到收到一個成立的載波信號為止，然後啟動 DCD 告知 PC ；

5. PC 接著送出 RTS 信號，並等待數據機送回 CTS 信號；

6. (資料傳送來復式控制) Repeat

PC 傳送資料，然後等待數據機送回 CTS 信號。

Until (資料傳送完畢) END{資料傳送演算法

}

資料交換協定

資料接收演算法

BEGIN

1. PC 接到啟動的 RI 信號後送出 DTR 信號；

2. 若 DSR 信號尚未啟動，則持續等待到啟動為止；

3. 經由 AT 命令，指引數據機產生”拿起話筒”的信號；

4. 數據機持續監視電話線上的信號，直到收到一個成立的載波信號為止，然後啟動 DCD 告知 PC ；

5. PC 接著送出 RTS 信號，並等待數據機送回 CTS 信號；

6. (資料傳送來復式控制)；

Repeat

PC 接收資料，然後等待數據機送回 CTS 信號。

Until (資料接收完畢)

END{資料接收演算法

}

(11)

本地與遠端迴路測試

傳送器接收器

DTE 本地數據機

(a) 本地迴路測試

DTE

傳送器接收器本地數據機

接收器傳送器遠端數據機公共電話系統

(b) 遠端迴路測試

RS-422A信號與TTL轉換器

TTL位準 ¹ TTL位準

2

8 16

+12 V +12 V

16

8 1 2

3

220

Ω

MC3487 3 220Ω MC3486

a b

(12)

RS-423A信號與TTL位準轉換器

TTL位準 1 TTL位準

2

8 16

+12 V +12 V

16

8 1 2

50

Ω 3

MC3487 3 MC3486

同軸電纜 a

RS-485多點的主從式應用系統例

(a) 兩線結構

(b) 四線結構 TxD RxD

主站

TxD RxD 副站

TxD RxD 主站

TxD RxD 副站

(13)

RS-232、RS-422、RS-423、與RS-485電氣界面特性

特性 RS-232 RS-423A RS-422A RS-485

操作模式單端單端差分差分

線上傳送端數目 1 1 1 1

線上接收端數目 1 10 10 32

電纜最大長度 50 呎 4,000 呎 4,000 呎 4,000 呎

最大資料傳送速率 20 k 鮑 300 k 鮑/30 呎 10 M 鮑/40 呎 10 M 鮑 /40 呎

推動器邏輯值

“0” > +5 V ~ +15V > +3.6 V ~ +6 V > +2 V ~ +6 V +1.5 V ~ +6 V “1” < -5 V ~ -15 V < -3.6 V ~ -6 V < -2 V ~ -6 V -1.5 V ~ -6 V

雜訊免疫力 2.0 V 3.4 V 1.8 V -

輸入阻抗 3~7 kΩ > 4 kΩ > 4 kΩ ≥ 12 kΩ

輸出阻抗 3~7 kΩ > 450 Ω 100 Ω 54 Ω

短路電流 500 mA 150 mA 150 mA 150 mA

輸出電壓轉移率 30 V/µs(最大) - - -

輸入端最小臨限電壓 “0”

“1”

+3 V -3 V

+0.2 V -0.2 V

接收端輸入電壓範圍 ±15 V ±12 V ±10 V -7 V ~ +12 V

加於輸出端的最大電壓範圍

±25 V ±6 V -0.25 V ~ +6 V -7 V ~ +12 V

MCS-51串列通信埠邏輯方塊圖

SBUF

(只能寫入) 移位暫存器

SBUF (只能讀取) 傳送鮑

速率時脈

接收鮑速率時脈

MCS-51內部資料匯流排 TxD(P3.1) RxD(P3.0)

CK CK

MCS-51

(14)

串列通信埠控制暫存器 SCON (*SMOD0 = 0/1)

SCON 位址： 98H 重置值： 00H 位元可存取

SCON.7 SCON.6 SCON.5 SCON.4 SCON.3 SCON.2 SCON.1 SCON.0

9FH 9EH 9DH 9CH 9BH 9AH 99H 98H

SM0/FE* SM1 SM2 REN TB8 RB8 TI RI

*8xC51Fx與8xC51GB的PCON暫存器

PCON 位址： 87H 重置值： 00xx0000 非位元可存取

7 6 5 4 3 2 1 0

SMOD1 SMOD0 - - GF1 GF0 PDE IDLE

(15)

使用定時器1產生的常用鮑速率

定時器 1 鮑速率系統時脈 SMOD/SMOD1

_{C / T}

模式重新載入值

模式 0 ：最大為 1 MHz 12 MHz x x x x

模式 2 ：最大為 375 kHz 12 MHz 1 x x x

模式 1 與 3 ： 62.5 kHz 12 MHz 1 0 2 FFH

19.2 kHz 11.059 MHz 1 0 2 FDH

9.6 kHz 11.059 MHz 0 0 2 FDH

4.8 kHz 11.059 MHz 0 0 2 FAH

2.4 kHz 11.059 MHz 0 0 2 F4H

1.2 kHz 11.059 MHz 0 0 2 E8H

137.5 Hz 11.059 MHz 0 0 2 1DH

110 Hz 6 MHz 0 0 2 72H

110 Hz 12 MHz 0 0 1 FEEBH

定時器2操作於鮑速率產生器模式

OSC ÷2

(8位元)TH2 TL2 (8位元)

溢位

T2接腳

C / T 2=0

TR2 控制

RCAP2H RCAP2L C / T2=1

EXF2

控制 EXEN2 T2EX接腳

轉態偵測

重新載入

定時器2 中斷要求定時器1計數溢位

÷2 0 1 SMOD/SMOD1 位元

÷16

÷16 TCLK

RCLK 1

1 0

0

RxC

TxC

(16)

使用定時器2產生的常用鮑速率

定時器 2

鮑速率系統時脈

RCAP2H RCAP2L

375 kHz 12 MHz FFH FFH

9.6 kHz 12 MHz FFH D9H

4.8 kHz 12 MHz FFH B2H

2.4 kHz 12 MHz FFH 64H

1.2 kHz 12 MHz FEH C8H

300 Hz 12 MHz FBH 1EH

110 Hz 12 MHz F2H AFH

300 Hz 6 MHz FDH 8FH

110 Hz 6 MHz F9H 57H

MAX232/MAX233與MCS-51的界接

+5 V

MCS-51

P3.1 P3.0

VCC

8 5

11 10

9

MAX 232

10

2 3 7 11

12

14 13 6 2 16

GND 15 1

3 4 5

DB-9 C1

C2

C3

C4

(a) 使用MAX232 (b) 使用MAX233

+5 V

MCS-51

P3.1 P3.0

VCC

19 5

11 1

20

MAX 233

10

2 3 18 2

2

5 4 16 15 11

10 13

14 12 17

DB-9 7

6 9

(17)

*MCS-51的多重微處理器例

TxD 主控制器

RxD 從屬控制器

*8xC51GB串列擴充埠控制暫存器SEPCON

SEPCON 位址： D7H 重置值： 00H 非位元可存取

7 6 5 4 3 2 1 0

- - SEPE SEPREN CLKPOL CLKPH SEPS1 SEPS0

(18)

*8xC51GB串列擴充埠狀態暫存器SEPSTAT

SEPSTAT 位址： F7H 重置值： 00H 非位元可存取

7 6 5 4 3 2 1 0

- - - SEPFWR SEPFRD SEPIF

*8xC51GB串列擴充埠(SEP)操作模式 ^{(模式1與3不能使}

用在接收模式中)

D7 D6 D5 D4 D3 D2 D1 D0

輸出資料模式0

模式2 取樣資料

輸出資料模式1 模式3 取樣資料

D7 D6 D5 D4 D3 D2 D1 D0

(19)

*MM74HC589元件及其與8xC51GB的界接

8位元資料門閂

A B C D E F G H

LC 8位元PISO移位暫存器

SA

QH SC

SS / PL OE

14

15

12

11

13 10 1 2 3 4 5 6 7

9 Vcc = 16 Gnd = 8 MM 74HC589

8xC51GB P4.0

P1.0 P1.1

SC

QH

LC

MM 74HC589

A到H





 



 

P4.1

SS PL/ OE

(a) MM74HC589 (b) 與8xC51GB界接

*74HC589元件及其與8xC51GB的界接

8xC51GB P4.0

P1.0

SC A

LC MM 74HC595

QA到QH



 



 

P4.1

OE RESET 10 k

V_CC

(a) MM 74HC595

SQH QA QB QD QE QF QG QH

LC A

SC

OE

14 15

13

9

8位元資料門閂

8位元SIPO移位暫存器

1 2 3 4 5 6 7 Vcc = 16 Gnd = 8

QC

11

10 RESET 12

(b) 與8xC51GB界接

(20)

MCS-51與X24C44 NOVRAM界接

+5 V

MCS-51 P1.2 P1.1 P1.0

CE SK DI DO

V

_CC

V _SS STORE

RECALL

8 7 6 5 1

2 3 4

X24C44

X24C44指令組

指令格式， I2 I1 I0 動作

WRDS 1xxxx000 重置寫入致能門閂(即抑制寫入與儲存的動作)

STO 1xxxx001 (store 指令)儲存 RAM 的資料於 EEPROM 內 (保留) 1xxxx010 N/A

WRITE 1AAAA011 寫入資料於 RAM 的 AAAA 位置中

WREN 1xxxx100 設定寫入致能門閂(即致能寫入與儲存的動作)

RCL 1xxxx101 (recall 指令)自 EEPROM 中取回 RAM 的資料 READ 1AAAA11x 讀取位於 RAM 之 AAAA 位置中的資料

(21)

MC14489與MCS-51界接

+5 V

MCS-51

P1.0 P1.1 P1.2

VCC

V

_SS 3

a cb d h e f g 8

8 8 8 8 8

a b c d e f g h

BANK 5 BANK 4 BANK 3 BANK 2 BANK 1

7 6 5 4 2 1 20 19

17 16 15 13 9

MC14489

DATA IN CLOCK ENABLE

DATA OUT 18

14 8

12 11 10 3.6 k

Rx

*使用I2C匯流排的典型系統架構

主元件

SDA

從屬元件從屬元件

SCL 從屬元件 + 5 V

R R #1 #2 #3 #4

(22)

*I2C匯流排的START與STOP

START SCL

SDA

STOP 資料值改變

穩定的資料值

*I2C匯流排的資料傳送例

START SDA SCL

STOP

1 2 7 8 9

MSB ACK

NACK

(23)

*I2C匯流排的時序

t

_SU:STA

SDA SCL

t

_F

t

_R

t

_HD:STA

t

_HIGH

t

_LOW

t

_SU:DAT

t

_HD:DAT

t

_BUF

t

_SU:STO

*I2C匯流排的時序參數值

標準模式快速模式

符號參數

最小值最大值最小值最大值單位

fOSC

SCL 時脈信號頻率 0 100 0 400 kHz

tBUF

兩個資料傳輸動作的最小時距 4.7 - 1.3 -

µs

tHD STA:

START 信號的持住時間 4.0 - 0.6 -

µs

tSU STA:

START 信號的設定時間 4.7 - 0.6 -

µs

tHIGH

SCL 時脈信號的高電位期間 4.0 - 0.6 -

µs tLOW

SCL 時脈信號的低電位期間 4.7 - 1.3 -

µs

tHD DAT:

DATA 的持住時間 0 3.45 0 0.9

µs

tSU DAT:

DATA 的設定時間 250 - 100 - ns

tR

SCL 與 SDA 信號的上升時間 - 1000 - 300 ns

tF

SCL 與 SDA 信號的下降時間 - 300 - 300 ns

tSU STO:

STOP 信號的設定時間 4.0 - 0.6 -

µs

(24)

*MCS-51與X24164元件界接

+5 V

MCS-51 P1.1 P1.0

SCL SDA V

_CC

V_SS

8 7 2

4 6

5 X24164 S0 S1 S2

TEST

3 1

1 1 0 0

A10 A9 A8 ^R_W

1 2 4 4 3

由S2 S1 S0決定

(b) 從屬元件位址位元組

(a) 與MCS-51界接

*X24164元件的資料寫入

(a) 位元組寫入

S P

ACK ACK ACK

START STOP

X24264的動作 MCS-51

的動作從屬元件位址語句位址資料

6 74 48 6 74 48 6 74 48

SDA信號

(b) 頁區寫入

S P

ACK ACK ACK

START STOP

的動作從屬元件位址語句位址(n) 資料(n)

6 74 48 6 74 48 6 74 48

SDA信號

ACK ACK

資料(n+15) 資料(n+1) 6 74 48 6 74 48

(25)

*X24164元件的資料讀取

(b) 任意位址讀取

P

ACK ACK ACK STOP

的動作從屬元件位址

6 74 48 SDA信號

ACK

資料(n) 資料(n+1) 資料(n+2) 資料(n+x)

1 2 4 4 3 1 2 4 4 3 1 2 4 4 3 1 2 4 4 3

(c) 循序位址讀取 X24264的動作

S P

ACK

START STOP

MCS-51

的動作 6從屬元件位址4748 6 74資料48

SDA信號

(a) 目前位址讀取

S P

ACK ACK

START STOP

的動作 6 7從屬元件位址4 48 6 7語句位址(n)4 48 6 74資料(n)48

SDA信號

ACK

6 7^{從屬元件位址}4 48

S

START

*X24164元件的I2C匯流排時序

tSU:STA

SDA OUT SDA IN

SCL

t_F t_R

tHD:STA

t_AA

tHIGH tLOW

t_SU:DAT tHD:DAT

t_DH tBUF

t_SU:STO

(26)

*X24164的時序參數值 (未列出者與表15.5-1的標準模式相同)

符號參數最小值最大值

tAA SCL 低電位到 SDA 輸出穩定的資料 0.3 0.5 µs

tHD DATA OUT 的持住時間 300 - ns

CyC qCm LBzPC I/O m T

三種基本資料轉移模式

(a)

(

)

(b)

(c)

微處理器與串列I/O裝置的界接

CPU

界面電路 串列 I/O 裝置

並列資料匯流排 串列資料

非同步串列資訊標準格式(TTL信號)

1 2 4 4 3

同位位元或第 9個資料位元

STOP位元 START位元

1 44 2 44 3

5到8個資料位元

MARK MARK

資料字元(01001101)的波形

STOP

START

8

MARK

1 44 2 44 3 MARK t

連續傳送兩個資料字元

1 44 2 44 3

6 44

7 44 8

1 44 2 44 3

6 44 7 44 8

在不同取樣頻率下的非同步串列資料的接收

RxD RxC 取樣脈波

中心點 中心點 (a) RxC 1

RxD

RxC 取樣脈波

(b) RxC 4

同步串列資料轉移的資料框格式

≤

≤

VRC與LRC檢查

VRC與LRC檢查

LRC偶同位位元

(c) LRC與VRC合併使用 D7 D6 D5 D4 D3 D2 D1 D0 P

1 0 1 0 1 0 1 0 0 0 1 0 1 1 1 0 0 0 1 0 1 1 0 1 0 1 1 0 1 0 1 0 1 1 0 0 1 0 1 1 1 0 0 1 1 1 1 0 0 0 1 1 0 0 1 1 1 0 0 0 1 0 0 1 0 0 0 1 1 1 0 0 0 0 0 0 0 1 1 0 0

VRC 偶同位位元

CRC檢查

CRC檢查

CRC多項式執行電路

G x ( ) = a x

+ a

x

+ + a x a +

LL

x

+ x

+ x

+ x

+ x

+ x

+ x

+ x

+ x

+ x

+ x

+ x

+ + x 1 x

+ x

+ x

+ 1

CRC-16 =

CRC-32 =

CRC多項式執行電路

D CK

Q Q'

D CK

Q Q'

D CK

Q Q' D

CK Q

Q' a

界面電路串列 I/O 裝置

並列資料匯流排串列資料

1 44 2 44 3 ^MARK t

中心點中心點 (a) RxC 1

4. 數據機持續監視電話線上的信號，直到收到一個成立的載波信號為止，然後啟動 DCD 告知 PC ；

4. 數據機持續監視電話線上的信號，直到收到一個成立的載波信號為止，然後啟動 DCD 告知 PC ；

傳送器接收器

傳送器接收器本地數據機

接收器傳送器遠端數據機公共電話系統

定時器 1 鮑速率系統時脈 SMOD/SMOD1

模式重新載入值