概念
在通信領(lǐng)域內(nèi)，有兩種數(shù)據(jù)通信方式：
并行通信和串行通信。隨著計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)化和微機(jī)分級(jí)分布式應(yīng)用系統(tǒng)的發(fā)展，通信的功能越來(lái)越重要。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，如終端、打印機(jī)和磁盤(pán)等設(shè)備之間的傳輸。
串行通信是指 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(zhǎng)度。其只需要少數(shù)幾條線就可以在系統(tǒng)間交換信息，特別使用于計(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。
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。使用串口通信時(shí)，發(fā)送和接收到的每一個(gè)字符實(shí)際上都是一次一位的傳送的，每一位為1或者為0。
分類同步通信
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(kāi)頭，用于確認(rèn)數(shù)據(jù)字符的開(kāi)始。數(shù)據(jù)字符在同步字符之后，個(gè)數(shù)沒(méi)有限制，由所需傳輸?shù)臄?shù)據(jù)塊長(zhǎng)度來(lái)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。
異步通信
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(guò)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(lái)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(cè)到傳輸線上發(fā)送過(guò)來(lái)的低電平邏輯"0"（即字符幀起始位）時(shí)，確定發(fā)送端已開(kāi)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。
特點(diǎn)
1、節(jié)省傳輸線，這是顯而易見(jiàn)的。尤其是在遠(yuǎn)程通信時(shí)，此特點(diǎn)尤為重要。這也是串行通信的主要優(yōu)點(diǎn)。
2、數(shù)據(jù)傳送效率低。與并行通信比，這也這是顯而易見(jiàn)的。這也是串行通信的主要缺點(diǎn)。
例如：傳送一個(gè)字節(jié)，并行通信只需要1T的時(shí)間，而串行通信至少需要8T的時(shí)間。 由此可見(jiàn)，串行通信適合于遠(yuǎn)距離傳送，可以從幾米到數(shù)千公里。對(duì)于長(zhǎng)距離、低速率的通信，串行通信往往是唯一的選擇。并行通信適合于短距離、高速率的數(shù)據(jù)傳送，通常傳輸距離小于30米。特別值得一提的是，現(xiàn)成的公共電話網(wǎng)是通用的長(zhǎng)距離通信介質(zhì)，它雖然是為傳輸聲音信號(hào)設(shè)計(jì)的，但利用調(diào)制解調(diào)技術(shù)，可使現(xiàn)成的公共電話網(wǎng)系統(tǒng)為串行數(shù)據(jù)通信提供方便、實(shí)用的通信線路。
形式和標(biāo)準(zhǔn)
調(diào)幅方式
串行數(shù)據(jù)在傳輸時(shí)通常采用調(diào)幅（AM）和調(diào)頻（FM）兩種方式傳送數(shù)字信息。遠(yuǎn)程通信時(shí)，發(fā)送的數(shù)字信息，如 二進(jìn)制數(shù)據(jù)，首先要調(diào)制成模擬信息。 幅度調(diào)制是用某種電平或電流來(lái)表示邏輯“1”，稱為傳號(hào)（mark）；而用另一種電平或電流來(lái)表示邏輯“0”，稱為空號(hào)（space）。出現(xiàn)在傳輸線上的mark/space的串行數(shù)據(jù)形式。
使用mark/space形式通常有四種標(biāo)準(zhǔn)，TTL標(biāo)準(zhǔn)、RS-232標(biāo)準(zhǔn)、20mA電流環(huán)標(biāo)準(zhǔn)和60mA電流環(huán)標(biāo)準(zhǔn)。
① TTL標(biāo)準(zhǔn)：用+5V電平表示邏輯“1”；用0V電平表示邏輯“0”，這里采用的是正邏輯。
?、?RS-232標(biāo)準(zhǔn)：用-5V— -15V之間的任意電平表示邏輯“1” ；用+5V — +15V電平表示邏輯“0”，這里采用的是負(fù)邏輯。
?、?20mA電流環(huán)標(biāo)準(zhǔn)。線路中存在20mA電流表示邏輯1，不存在20mA電流表示邏輯0。
?、?60mA電流環(huán)標(biāo)準(zhǔn)。線路中存在60mA電流表示邏輯1，不存在60mA電流表示邏輯0。
調(diào)頻方式
頻率調(diào)制方式是用兩種不同的頻率分別表示二進(jìn)制中的邏輯1和邏輯0，通常使用曼徹斯特編碼標(biāo)準(zhǔn)和堪薩斯城標(biāo)準(zhǔn)。
①曼徹斯特編碼標(biāo)準(zhǔn)，它的數(shù)據(jù)形式如圖8.3所示。這種標(biāo)準(zhǔn)兼有電平變化和頻率變化來(lái)表示二進(jìn)制數(shù)的0和1。從圖中可看出。每當(dāng)出現(xiàn)一個(gè)新的二進(jìn)制位時(shí)，就有一個(gè)電平跳變。如果該位是邏輯1，則在中間還有一個(gè)電平跳變；而邏輯0僅有位邊沿跳變。所以邏輯1的頻率比邏輯0的頻率大一 倍。曼徹斯特編碼標(biāo)準(zhǔn)通常用在兩臺(tái)計(jì)算機(jī)之間的同步通信。
串行通信
② 堪薩斯城標(biāo)準(zhǔn)，它的數(shù)據(jù)形式如圖8.4所示。它用頻率為1200Hz中的4個(gè)周期表示邏輯0；而用頻率為2400Hz中的8個(gè)周期表示邏輯1。
數(shù)字編碼方式
?、?NRZ 編碼
NRZ 編碼又稱為不歸零編碼，常用正電壓表示“1”，負(fù)電壓表示“0”，而且在一個(gè)碼元時(shí)間內(nèi)，電壓均不需要回到零。其特點(diǎn)是全寬碼，即一個(gè)碼元占一個(gè)單元脈沖的寬度.
⑵曼徹斯特（Manchester)編碼 在曼徹斯特編碼中，每個(gè)二進(jìn)制位（碼元）的中間都有電壓跳變。用電壓的正跳變表示“0”，電壓的負(fù)跳變表示“1”。由于跳變都發(fā)生在每一個(gè)碼元的中間位置（半個(gè)周期），接收端就可以方便地利用它作為同步時(shí)鐘，因此這種曼徹斯特編碼又稱為自同步曼徹斯特編碼。目前最廣泛應(yīng)用的局域網(wǎng)—以太網(wǎng)，在數(shù)據(jù)傳輸時(shí)就采用這種數(shù)字編碼。
?、?微分曼徹斯特編碼 這種編碼是曼徹斯特編碼的一種修改形式，其不同之處時(shí)：用每一位的起始處有無(wú)跳變來(lái)表示“0”和“1”，若有跳變則為“0”，無(wú)跳變則為“1”；而每一位中間的跳變只用來(lái)作為同步的時(shí)鐘信號(hào)，所以它也是一中自同步編碼,同步曼徹斯特編碼和微分曼徹斯特編碼的每一位都是用不同電平的兩個(gè)半位來(lái)表示的，因此始終保持直流的平衡。不會(huì)造成直流的累積。
數(shù)據(jù)傳輸率
數(shù)據(jù)傳輸率是指單位時(shí)間內(nèi)傳輸?shù)男畔⒘?，可用比特率和波特率?lái)表示。
?、疟忍芈剩罕忍芈适侵该棵雮鬏?shù)亩M(jìn)制位數(shù)，用bps （bit/s)表示。
?、?波特率，波特率是指每秒傳輸?shù)姆?hào)數(shù)，若每個(gè)符號(hào)所含的信息量為1比特，則波特率等于比特率。在計(jì)算機(jī)中，一個(gè)符號(hào)的含義為高低電平，它們分別代表邏輯“1”和邏輯“0”，所以每個(gè)符號(hào)所含的信息量剛好為1比特，因此在計(jì)算機(jī)通信中，常將比特率稱為波特率，即：
1波特（B）= 1比特（bit）= 1位/秒（1bps） 例如:電傳打字機(jī)最快傳輸率為每秒10個(gè)字符/秒，每個(gè)字符包含11個(gè)二進(jìn)制位,則數(shù)據(jù)傳輸率為:11位/字符×10個(gè)字符/秒=110位/秒=110波特（Baud）計(jì)算機(jī)中常用的波特率是：110、300、600、1200、2400、4800、9600、19200、28800、33600，目前最高可達(dá)56Kbps.
⑶ 位時(shí)間Td
位時(shí)間是指?jìng)魉鸵粋€(gè)二進(jìn)制位所需時(shí)間，用Td 表示。Td = 1/波特率 = 1/B
例如：B=110波特/秒 ， 則Td = 1/110 ≈ 0.0091ms
發(fā)送時(shí)鐘和接收時(shí)鐘
在串行通信中，二進(jìn)制數(shù)據(jù)以數(shù)字信號(hào)的信號(hào)形式出現(xiàn),不論是發(fā)送還是接收，都必須有時(shí)鐘信號(hào)對(duì)傳送的數(shù)據(jù)進(jìn)行定位。在TTL標(biāo)準(zhǔn)表示的二進(jìn)制數(shù)中，傳輸線上高電平表示二進(jìn)制1，低電平表示二進(jìn)制0，且每一位持續(xù)時(shí)間是固定的，由發(fā)送時(shí)鐘和接收時(shí)鐘的頻率決定。
⑴ 發(fā)送時(shí)鐘
發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，先將要發(fā)送的數(shù)據(jù)送入移位寄存器，然后在發(fā)送時(shí)鐘的控制下，將該并行數(shù)據(jù)逐位移位輸出。通常是在發(fā)送時(shí)鐘的下降沿將移位寄存器中的數(shù)據(jù)串行輸出，每個(gè)數(shù)據(jù)位的時(shí)間間隔由發(fā)送時(shí)鐘的周期來(lái)劃分，參見(jiàn)圖8.6所示。
⑵ 接收時(shí)鐘
在接收串行數(shù)據(jù)時(shí)，接收時(shí)鐘的上升沿對(duì)接收數(shù)據(jù)采樣，進(jìn)行數(shù)據(jù)位檢測(cè)，并將其移入接收器的移位寄存器中，最后組成并行數(shù)據(jù)輸出，如圖8.7所示。
?、?波特率因子
接收時(shí)鐘和發(fā)送時(shí)鐘與波特率有如下關(guān)系：F = n × B 這里F 是發(fā)送時(shí)鐘或接收時(shí)鐘的頻率; B 是數(shù)據(jù)傳輸?shù)牟ㄌ芈剩?n 稱為波特率因子。設(shè)發(fā)送或接收時(shí)鐘的周期為T(mén)c，頻率為F的位傳輸時(shí)間為T(mén)d，則： Tc = 1/F , Td = 1/B 得到： Tc = Td /n 在實(shí)際串行通信中，波特率因子可以設(shè)定。在異步傳送時(shí)，n = 1，16，64，實(shí)際常采用n = 16，即發(fā)送或接收時(shí)鐘的頻率要比數(shù)據(jù)傳送的波特率高n倍。在同步通信時(shí)，波特率因子n必須等于1。
通信協(xié)議
普遍協(xié)議
最被人們熟悉的串行通信技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)是EIA－232、EIA-422和EIA－485，也就是以前所稱的RS-232、RS-422和RS-485。由于EIA提出的建議標(biāo)準(zhǔn)都是以“RS”作為前綴，所以在工業(yè)通信領(lǐng)域，仍然習(xí)慣將上述標(biāo)準(zhǔn)以RS作前綴稱謂。
EIA－232、EIA-422和EIA－485都是串行數(shù)據(jù)接口標(biāo)準(zhǔn)，最初都是由電子工業(yè)協(xié)會(huì)（EIA）制訂并發(fā)布的，EIA-232在1962年發(fā)布，后來(lái)陸續(xù)有不少改進(jìn)版本，其中最常用的是EIA-232-C版。
目前EIA-232是PC機(jī)與通信工業(yè)中應(yīng)用最廣泛的一種串行接口。EIA-232被定義為一種在低速率串行通信中增加通信距離的單端標(biāo)準(zhǔn)。EIA-232采取不平衡傳輸方式，即所謂單端通信。標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，EIA－232的傳送距離要求可達(dá)50英尺（約15米），最高速率為20kbps。
由于EIA-232存在傳輸距離有限等不足，于是EIA-422誕生了。EIA-422標(biāo)準(zhǔn)全稱是“平衡電壓數(shù)字接口電路的電氣特性”，它定義了一種平衡通信接口，將傳輸速率提高到10Mbps，傳輸距離延長(zhǎng)到4000英尺（約1219米），并允許在一條平衡總線上連接最多10個(gè)接收器。當(dāng)然，EIA－422也有缺陷: 因?yàn)槠淦胶怆p絞線的長(zhǎng)度與傳輸速率成反比，所以在100kbps速率以內(nèi)，傳輸距離才可能達(dá)到最大值，也就是說(shuō)，只有在很短的距離下才能獲得最高傳輸速率。一般在100米長(zhǎng)的雙絞線上所能獲得的最大傳輸速率僅為1Mbps。另外有一點(diǎn)必須指出，在EIA-422通信中，只有一個(gè)主設(shè)備（Master），其余為從設(shè)備（Salve），從設(shè)備之間不能進(jìn)行通信，所以EIA-422支持的是點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)的雙向通信。
為擴(kuò)展應(yīng)用范圍，EIA于1983年在EIA-422基礎(chǔ)上制定了EIA-485標(biāo)準(zhǔn)，增加了多點(diǎn)、雙向通信能力，即允許多個(gè)發(fā)送器連接到同一條總線上，同時(shí)增加了發(fā)送器的驅(qū)動(dòng)能力和沖突保護(hù)特性，擴(kuò)展了總線共模范圍，后命名為T(mén)IA/EIA-485-A標(biāo)準(zhǔn)。
由于EIA-485是從EIA-422基礎(chǔ)上發(fā)展而來(lái)的，所以EIA-485許多電氣規(guī)定與EIA-422相仿，如都采用平衡傳輸方式、都需要在傳輸線上接終接電阻、最大傳輸距離約為1219米、最大傳輸速率為10Mbps等。但是，EIA-485可以采用二線與四線方式，采用二線制時(shí)可實(shí)現(xiàn)真正的多點(diǎn)雙向通信，而采用四線連接時(shí)，與EIA-422一樣只能實(shí)現(xiàn)點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)通信，但它比EIA-422有改進(jìn)， 無(wú)論四線還是二線連接方式總線上可接多達(dá)32個(gè)設(shè)備。
USB
USB是英文 Universal Serial Bus 的縮寫(xiě)，翻譯成中文的含義是“通用串行總線”。
從技術(shù)上看，USB是一種串行總線系統(tǒng)，它的最大特性是支持即插即用和熱插拔功能。在Windows 2000的操作系統(tǒng)中，任何一款標(biāo)準(zhǔn)的USB設(shè)備可以在任何時(shí)間、任何狀態(tài)下與計(jì)算機(jī)連接，并且能夠馬上開(kāi)始工作。
USB誕生于1994年，是由康柏、IBM、Intel和Microsoft共同推出的，旨在統(tǒng)一外設(shè)接口，如打印機(jī)、外置Modem、掃描儀、鼠標(biāo)等的接口，以便于用戶進(jìn)行便捷的安裝和使用，逐步取代以往的串口、并口和PS/2接口。
發(fā)展至今，USB共有三種標(biāo)準(zhǔn)：1996年發(fā)布的USB1.0，1998年發(fā)布的USB1.1以及剛剛發(fā)布的最新標(biāo)準(zhǔn)USB2.0。此三種標(biāo)準(zhǔn)最大的差別就在于數(shù)據(jù)傳輸速率方面，當(dāng)然，在其他方面也有不同程度的改進(jìn)。就目前的USB2.0而言，其傳輸速度可以達(dá)到480Mbps，最多可以支持127個(gè)設(shè)備。
目前在IT領(lǐng)域，USB接口可謂春風(fēng)得意。人們?cè)谑袌?chǎng)上可以看到，每一款計(jì)算機(jī)主板都帶有不少于2個(gè)USB接口，USB打印機(jī)、USB調(diào)制解調(diào)器、USB鼠標(biāo)、USB音箱、USB存儲(chǔ)器等產(chǎn)品越來(lái)越多，USB接口已經(jīng)占據(jù)了串行通信技術(shù)的壟斷地位。
但是，在工業(yè)領(lǐng)域，使用USB接口的產(chǎn)品則甚為少見(jiàn)。在工業(yè)領(lǐng)域，人們更要求產(chǎn)品的可靠性和穩(wěn)定性，目前，EIA標(biāo)準(zhǔn)下的串行通信技術(shù)完全可以滿足人們對(duì)工業(yè)設(shè)備傳輸?shù)母鞣N性能要求，而且，這些產(chǎn)品價(jià)格非常低廉。相比之下，USB價(jià)格較高，并且其即插即用的功能在工業(yè)通信中沒(méi)有優(yōu)勢(shì)。因?yàn)楣I(yè)設(shè)備一般連接好以后很少進(jìn)行重復(fù)插拔，USB特性的優(yōu)越性不能很好地被體現(xiàn)出來(lái)，也就得不到工業(yè)界的普遍認(rèn)可。因此，在工業(yè)領(lǐng)域，EIA標(biāo)準(zhǔn)依然占據(jù)統(tǒng)治地位。
IEEE 1394
IEEE 1394是一種與平臺(tái)無(wú)關(guān)的串行通信協(xié)議，標(biāo)準(zhǔn)速度分為100Mbps、200Mbps和400Mbps，是IEEE（電氣與電子工程師協(xié)會(huì)）于1995年正式制定的總線標(biāo)準(zhǔn)。目前，1394商業(yè)聯(lián)盟正在負(fù)責(zé)對(duì)它進(jìn)行改進(jìn)，爭(zhēng)取未來(lái)將速度提升至800Mbps、1Gbps和1.6Gbps這三個(gè)檔次。相比于EIA接口和USB接口，IEEE 1394的速度要高得多，所以，IEEE 1394也稱為高速串行總線。
IEEE 1394提供了一種高速的即插即用總線。接入這條總線，各種外設(shè)便不再需要單獨(dú)供電，它也支持等時(shí)的數(shù)據(jù)傳輸，是將計(jì)算機(jī)和消費(fèi)類電器連接起來(lái)的重要橋梁。例如，用戶可以在計(jì)算機(jī)上接駁一部數(shù)字VCR，把它當(dāng)作一個(gè)普通的外設(shè)使用，既可用來(lái)播放電影，亦可以錄制在計(jì)算機(jī)上編輯視頻流。除此以外，帶有IEEE 1394接口的DV（數(shù)字視頻）攝影機(jī)和數(shù)字衛(wèi)星接收器目前均已上市。由于速度非?？欤运窍M(fèi)類影音（A/V）電器、存儲(chǔ)、打印、高分辨率掃描和其他便攜設(shè)備的理想選擇。
從技術(shù)上看，IEEE 1394具有很多優(yōu)點(diǎn)，首先，它是一種純數(shù)字接口，在設(shè)備之間進(jìn)行信息傳輸?shù)倪^(guò)程中，數(shù)字信號(hào)不用轉(zhuǎn)換成模擬信號(hào)，從而不會(huì)帶來(lái)信號(hào)損失；其次，速度很快，1Gbps的數(shù)據(jù)傳輸速度可以非常好地傳輸高品質(zhì)的多媒體數(shù)據(jù)，而且設(shè)備易于擴(kuò)展，在一條總線中，100Mbps、200Mbps和400Mbps的設(shè)備可以共存；另外，產(chǎn)品支持熱插拔，易于使用，用戶可以在開(kāi)機(jī)狀態(tài)下自由增減IEEE 1394接口的設(shè)備，整個(gè)總線的通信不會(huì)受到干擾。
相關(guān)應(yīng)用 EIA-232、EIA-422與EIA-485標(biāo)準(zhǔn)等串行通信技術(shù)應(yīng)用很廣，如錄像機(jī)、計(jì)算機(jī)以及許多工業(yè)控制設(shè)備上都配備有EIA－232串行通信接口。
USB接口應(yīng)用較為廣泛。人們?cè)谑袌?chǎng)上可以看到，每一款計(jì)算機(jī)主板都帶有不少于2個(gè)USB接口，USB打印機(jī)、USB調(diào)制解調(diào)器、USB鼠標(biāo)、USB音箱、USB存儲(chǔ)器等產(chǎn)品越來(lái)越多，USB接口已經(jīng)占據(jù)了串行通信技術(shù)的壟斷地位。
目前支持IEEE 1394的產(chǎn)品有臺(tái)式計(jì)算機(jī)、筆記本電腦、高精度掃描儀、數(shù)字視頻(DV)攝影機(jī)、數(shù)碼音箱(SA2.5)、數(shù)碼相機(jī)等。
