串口的工作原理

引言

串行端口一直被視作計(jì)算機(jī)最基礎(chǔ)的外部連接設(shè)備之一，在過(guò)去的20多年時(shí)間里，它一直是大多數(shù)計(jì)算機(jī)不可或缺的組成部分。雖然許多較新的系統(tǒng)在采用USB連接設(shè)備后，已經(jīng)徹底放棄了串行端口，但大多數(shù)調(diào)制解調(diào)器都仍然在使用，一些打印機(jī)、掌上型電腦 和數(shù)碼相機(jī)也是如此。不過(guò)，計(jì)算機(jī)所帶的串行端口一般都不會(huì)超過(guò)兩個(gè)。

從本質(zhì)上說(shuō)，串行端口可提供標(biāo)準(zhǔn)的連接器和協(xié)議，允許我們將調(diào)制解調(diào)器等設(shè)備連接到計(jì)算機(jī)上。

串行端口怎樣傳輸數(shù)據(jù)

當(dāng)今人們使用的所有計(jì)算機(jī)操作系統(tǒng)都支持串行端口，因?yàn)槠洹叭腭v”計(jì)算機(jī)已有數(shù)十年的歷史了。而并行端口的發(fā)明要晚得多，速度也比串行端口快得多。USB端口的歷史只有數(shù)年，它很可能在接下來(lái)的幾年內(nèi)全面取代串行端口和并行端口。

之所以取名為“串行”端口，是因?yàn)檫@種端口會(huì)將數(shù)據(jù)“串行化”。更具體地說(shuō)，它一次獲取一個(gè)字節(jié)的數(shù)據(jù)并傳輸該字節(jié)的8位。這樣做的優(yōu)勢(shì)在于，串行端口只需要一條線路就能傳輸8個(gè)位，而并行端口則需要8條。相應(yīng)的劣勢(shì)在于，其傳輸數(shù)據(jù)的用時(shí)是擁有八條線路時(shí)的8倍。此外，串行端口還可以降低線纜成本，使線纜更加小巧。

在發(fā)送數(shù)據(jù)的每個(gè)字節(jié)之前，串行端口會(huì)發(fā)送一個(gè)開(kāi)始位，這是一個(gè)值為0的單個(gè)位。在發(fā)送完數(shù)據(jù)的每個(gè)字節(jié)之后，它將發(fā)送一個(gè)停止位，表示該字節(jié)已傳輸完成。此外，它還可以發(fā)送奇偶校驗(yàn)位。

串行端口也稱(chēng)為通信（COM）端口，是一種雙向端口。在雙向通信中，每個(gè)設(shè)備都可以接收數(shù)據(jù)和傳輸數(shù)據(jù)。串行設(shè)備使用不同的針腳來(lái)接收和傳輸數(shù)據(jù)——如果使用相同的針腳，通信將限制為半雙工模式，這表示信息一次只能在一個(gè)方向上傳播。使用不同的針腳可以實(shí)現(xiàn)全雙工通信，在這種模式中，信息可以同時(shí)在兩個(gè)方向上傳播。

串行端口依靠特殊的控制器芯片通用異步接收/傳輸器（UART）來(lái)實(shí)現(xiàn)自己的功能。UART芯片從計(jì)算機(jī)的系統(tǒng)總線獲得并行輸出，然后將其轉(zhuǎn)換成串行形式，以便通過(guò)串行端口傳輸。為了提高效率，大多數(shù)UART芯片都內(nèi)置有16到64千字節(jié)的緩沖區(qū)。利用這個(gè)緩沖區(qū)，芯片便可以在處理要流向串行端口的數(shù)據(jù)的同時(shí)，緩存從系統(tǒng)總線流入的數(shù)據(jù)。大多數(shù)標(biāo)準(zhǔn)串行端口的最大傳輸速率為115Kbps（千比特每秒），增強(qiáng)型串行端口（ESP）和超級(jí)增強(qiáng)型串行端口（Super ESP）等高速串行端口可以實(shí)現(xiàn)460Kbps的數(shù)據(jù)傳輸速率。

串行連接設(shè)備

適用于串行端口的外部連接器可以是9針腳的，也可以是25針腳的。最初，串行端口的主要用途是將調(diào)制解調(diào)器連接到計(jì)算機(jī)上。針腳的功能分配反映了這一點(diǎn)。下面，讓我們?cè)敿?xì)了解一下在連接調(diào)制解調(diào)器時(shí)，每個(gè)針腳都有何作用。

9針連接器：

1. 載波檢測(cè)——確定調(diào)制解調(diào)器是否連接到了可用的電話線路。
2. 接收數(shù)據(jù)——計(jì)算機(jī)接收調(diào)制解調(diào)器發(fā)送過(guò)來(lái)的信息。
3. 傳輸數(shù)據(jù)——計(jì)算機(jī)向調(diào)制解調(diào)器發(fā)送信息。
4. 數(shù)據(jù)終端就緒——計(jì)算機(jī)通知調(diào)制解調(diào)器自己已準(zhǔn)備好通話。
5. 信號(hào)地線——針腳接地。
6. 數(shù)據(jù)集就緒——調(diào)制解調(diào)器通知計(jì)算機(jī)自己已準(zhǔn)備好通話。
7. 請(qǐng)求發(fā)送——計(jì)算機(jī)詢問(wèn)調(diào)制解調(diào)器是否可以發(fā)送信息。
8. 同意發(fā)送——調(diào)制解調(diào)器通知計(jì)算機(jī)可以發(fā)送信息。
9. 振鈴指示器——發(fā)起呼叫后，計(jì)算機(jī)指示檢測(cè)到振鈴的信號(hào)（發(fā)送自調(diào)制解調(diào)器）已收到。

25針連接器：

1. 未使用
2. 傳輸數(shù)據(jù)——計(jì)算機(jī)向調(diào)制解調(diào)器發(fā)送信息。
3. 接收數(shù)據(jù)——計(jì)算機(jī)接收調(diào)制解調(diào)器發(fā)送過(guò)來(lái)的信息。
4. 請(qǐng)求發(fā)送——計(jì)算機(jī)詢問(wèn)調(diào)制解調(diào)器是否可以發(fā)送信息。
5. 同意發(fā)送——調(diào)制解調(diào)器通知計(jì)算機(jī)可以發(fā)送信息。
6. 數(shù)據(jù)集就緒——調(diào)制解調(diào)器通知計(jì)算機(jī)自己已準(zhǔn)備好通話。
7. 信號(hào)地線——針腳接地。
8. 已接收線路信號(hào)檢測(cè)器——確定調(diào)制解調(diào)器是否連接到了可用的電話線路。
9. 未使用：傳輸當(dāng)前回路返回值（+）
10. 未使用
11. 未使用：傳輸當(dāng)前回路數(shù)據(jù)（-）
12. 未使用
13. 未使用
14. 未使用
15. 未使用
16. 未使用
17. 未使用
18. 未使用：接收當(dāng)前回路數(shù)據(jù)（+）
19. 未使用
20. 數(shù)據(jù)終端就緒——計(jì)算機(jī)通知調(diào)制解調(diào)器自己已準(zhǔn)備好通話。
21. 未使用
22. 振鈴指示器——發(fā)起呼叫后，計(jì)算機(jī)指示檢測(cè)到振鈴的信號(hào)（發(fā)送自調(diào)制解調(diào)器）已收到。
23. 未使用
24. 未使用
25. 未使用：接收當(dāng)前回路返回值（-）

通過(guò)針腳發(fā)送的電壓可以是以下兩種狀態(tài)之一：開(kāi)或關(guān)。開(kāi)（二進(jìn)制值“1”）表示該針腳正在傳輸-3到 -25伏之間的信號(hào)，而關(guān)（二進(jìn)制值“0”）表示該針腳正在傳輸+3到+25伏之間的信號(hào)。

流控制

串行通信一個(gè)很重要的方面就是流控制的概念。利用流控制，一個(gè)設(shè)備便能夠通知另一個(gè)設(shè)備暫時(shí)停止發(fā)送數(shù)據(jù)。啟用流控制需要用到命令“請(qǐng)求發(fā)送”（RTS）、“同意發(fā)送”（CTS）、“數(shù)據(jù)端就緒”（DTR） 和“數(shù)據(jù)集就緒”（DSR）。

讓我們通過(guò)示例看看流控制的工作方式：您有一個(gè)以56Kbps的速度進(jìn)行通信的調(diào)制解調(diào)器。計(jì)算機(jī)和調(diào)制解調(diào)器之間的串行連接以115Kbps的速度傳輸數(shù)據(jù)，這是前一個(gè)速度的兩倍多。這表示，調(diào)制解調(diào)器從計(jì)算機(jī)獲得的數(shù)據(jù)多于它能夠通過(guò)電話線路傳輸?shù)臄?shù)據(jù)。即使調(diào)制解調(diào)器有128K的緩沖區(qū)來(lái)存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，它仍將很快耗盡緩沖區(qū)空間，以至于無(wú)法妥善處理流入的所有數(shù)據(jù)。

借助流來(lái)進(jìn)行控制，調(diào)制解調(diào)器可以在來(lái)自計(jì)算機(jī)的數(shù)據(jù)流耗盡自己的緩沖區(qū)之前，讓該數(shù)據(jù)流停止。計(jì)算機(jī)將持續(xù)在“請(qǐng)求發(fā)送”針腳上發(fā)送信號(hào)，同時(shí)檢查“同意發(fā)送”針腳上的信號(hào)。如果沒(méi)有“同意發(fā)送”響應(yīng)，則計(jì)算機(jī)停止發(fā)送數(shù)據(jù)，直至收到“同意發(fā)送”信號(hào)才恢復(fù)發(fā)送。這將使得調(diào)制解調(diào)器能夠保持?jǐn)?shù)據(jù)流的平穩(wěn)流動(dòng)。