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1、普通高等教育普通高等教育普通高等教育普通高等教育“十一五十一五十一五十一五”国家级规划教材国家级规划教材国家级规划教材国家级规划教材微型计算机通信与接口技术微型计算机通信与接口技术（第二版）（第二版）刘兵 等编著中国水利水电出版社中国水利水电出版社第一章 数据通信基础学习目标通过对本章的学习，读者应该掌握以下主要内容：数据通信的基本概念、特点及实现方式数据通信系统的性能指标常用协议的数据格式及标准计算机接口的基本概念本章目录1.1 数据通信基本概念 1.2 数据通信的差错控制1.3 常见数据与网络通信协议的数据格1.4 接口基础知识1.1 数据通信基本概念 1.1.1 数据通信概述1.数据数据
2、是定义为有意义的实体，是表征事物的形式，例如文字、声音和图像等。数据可分为模拟数据和数字数据两类。2.信号信号是数据的电磁编码或电子编码。信号在通信系统中可分为模拟信号和数字信号。3.信道信道是用来表示向某一个方向传送信息的媒体。4.通信线路的通信方式根据数据信息在传输线上的传送方向，数据通信方式有三种：单工方式、半双工方式和全双工方式 4.通信线路的通信方式（1）单工方式在这种方式中，只允许数据始终按一个固定的方向传送（2）半双工方式在半双工方式中，数据信息可以双向传送，但在同一时刻一个信道只允许单方向传送 4.通信线路的通信方式（3）全双工方式同一时间可以双向进行数据传送早期的通信系统都是
3、模拟系统，当输入的信号频率高或低到一定程度，使得系统的输出功率成为输入功率的一半时，最高频率和最低频率间的差值就代表了系统的通频带宽，其单位为赫兹（Hz）。在数字通信系统中“带宽”的含义完全不同于模拟系统，它通常是指数字系统中数据的传输速率，其表示单位为比特/秒或波特/秒（Baud/S）。.信道带宽1.1.2 数据通信系统的组成数据通信系统的组成有以下5个部分组成：信源、变换器、传输线路、反变换器、信宿 1.1.3 数据通信系统的质量标准 1.传输速率 数据传输速率数据传输速率是单位时间传送的数据量，数据量的单位可以是比特、字符码等，时间单位可以是秒、分等，通常用比特/秒为单位。调制速率调制是
4、将基带数字脉冲信号变换为适合在线路上传输的某一频率载波信号的过程。RB=1/T （波特）(1-1)数据信号速率数据信号速率表示单位时间内通过信道的信息量，单位是比特/秒（b/s），是用来表示传输速率常用的单位，简称比特率。在串行通信中数据信号速率定义为：Rb=RBlog2M=1/Tlog2M （比特/秒）Rb为波特率，M是调制信号波形的状态数，T为单位调制信号波形的时间长度。2.误码率在接收端收到数据的差错程度是数据通信质量最重要的指标，一般用误码率Pe表示，如公式(1-3)所示。3.可靠性 可靠性通常用来表示系统在给定时间间隔内能正常工作的概率。4.功率利用率和频带利用率 功率利用率功率利用
5、率以比特差错小于某一规定值时所要求的最低归一化信噪比（每比特的信号能量和噪声单边功率谱密度的比值）衡量。所要求的信噪比越低，则功率利用率越高。频带利用率频带利用率是描述数据传输速率和带宽之频带利用率是描述数据传输速率和带宽之间关系的一个指标，也是衡量数据通信系间关系的一个指标，也是衡量数据通信系统有效性的指标，是单位频带内所能传输统有效性的指标，是单位频带内所能传输的信息速率的信息速率 5.标准化标准化程度的高低是衡量通信系统好坏的重要指标准化程度的高低是衡量通信系统好坏的重要指标。标。6.通信建立时间数据通信系统一般都要求在尽可能短的时间内建立通信 7.其它指标其它指标还有经济性、操作简单、
6、维修方便、能自动检测、体积小和重量轻等，在设计传输系统时也是要注意的。当然，这些指标也是相对的，要根据具体情况以及周围环境和服务对象等具体确定 1.1.4 数据通信系统的传输编码 1.数字信号模拟化时的编码方式n（1）振幅调制（调幅）振幅调制（调幅）n（2）频率调制（调频）频率调制（调频）n（3）相位调制（调相）2.数字数据编码（1）不归零编码NRZ（2）曼彻斯特编码（3）差分曼彻斯特编码1.1.5数据通信系统的传输速率 1.奈奎斯特公式奈奎斯特公式给出了无热噪声（时信道带宽对最大数据速率的限制 log2 b/s（1-6）其中：H是信道的带宽（以Hz为单位）；L表示某给定时刻数字信号可能取的离
7、散值的个数；C是该信道最大的数据速率。例例 无热噪声的某信道带宽为无热噪声的某信道带宽为 4 kHz，任，任何时刻数字信号可取何时刻数字信号可取0、1、2和和3四种电平四种电平之一，则最大数据速率为多少？之一，则最大数据速率为多少？2.香农公式香农（香农（Shannon）用信息论的理论推导出）用信息论的理论推导出了带宽受限且有高斯白噪声干扰的信道的了带宽受限且有高斯白噪声干扰的信道的极限、无差错的信息传输速率极限、无差错的信息传输速率:C=W log2(1+S/N)b/s 其中：W 为信道的带宽（以Hz为单位）；S 为信道内所传信号的平均功率；N 为信道内部的高斯噪声功率；SN为信噪比 1.2
8、 数据通信的差错控制1.2.1 差错类型1纠错码 纠错码是指在发送每一组信息时发送足够的附加位，接收端通过这些附加位在接收译码器的控制下不仅可以发现错误，而且还能自动地纠正错误。常见的纠错编码有：海明纠错码、正反纠错码等。1.2 数据通信的差错控制2检错码 检错码是指在发送每一组信息时发送一些附加位，接收端通过这些附加位可以对所接收的数据进行判断看其是否正确，如果存在错误，接收端不是纠正错误而是通过反馈信道传送一个应答帧把这个错误的结果告诉给发送端，让发送端重新发送该信息，直至接收端收到正确的数据为止。1.2.2 奇偶校验码在一个二进制数据字上加上一位，以便检测差错。在一个二进制数据字上加上一
9、位，以便检测差错。在偶校验时，要在每一个字符上增加一个附加位，让该字符和校验附加位一起使“1”的个数为偶数 例如，一个字符的7位代码为1101011，有5个“1”（奇数），若奇校验，则校验位为0，即整个字符为：0 1 1 0 1 0 1 0若为偶校验，则校验应为1，即整个字符为：1 1 1 0 1 0 1 1。1.2.3循环冗余校验 计算校验和的算法如下：设生成的多项式G（x）为n阶，在帧的末尾附加n个零，使帧为m+n位，则相应的多项式是2n M（x）。按模2除法，用对应于G（x）的位串去除对应于2n M（x）的位串，得到的余数就是帧校验序列（FCS）。按模2减法，从对应于2n M（x）的位串
10、中减去帧校验序列（FCS）。结果就是要传送带校验和的帧，叫多项式T（x）。1.2.4 校验和所谓校验和是把一个字节的8位视为整数，然后把该8位字节构成的序列求和，所计算出的整数值就是校验码。1.二进制反码求和二进制反码求和的规则是从低位到高位逐列进行计算：0+0=00+1=11+0=11+1=02校验和生成器1.2.5 海明码海明指出可以在数据代码上添加若干冗余位组成码字，并称一个码字变成另一个码字时必须改变（“1”变为“0”或者“0”变“1”）的最小位数为码字之间的海明距离。例如7位ASCII码增加一位奇偶校验位成为8位的码字，这128个8位的码字之间的海明距离是2。1.定位冗余比特如如果果
11、传传输输的的数数据据位位是是m位位，加加了了r位位冗冗余余位位，那那么总共传输的数据单元是么总共传输的数据单元是m+r位。位。为了能够检测出这m+r位数据单元在传输到目的端后是否出错，并能够指明是在哪一位出错，那么r至少应该能够代表m+r+1种状态。r比特能够代表2r不同状态。2r =m +r +1r的值可以通过插入的值可以通过插入m（要传输的数（要传输的数据单元的原始长度）的值来得到。据单元的原始长度）的值来得到。例如例如m=7（如同（如同7位位ASCII码），则码），则满足上式的最小满足上式的最小r值为值为4，因为：，因为：24 =7 +4 +1 r1：第：第1（0001），），3（001
12、1），），5（0101），），7（0111），），9（1001），），11（1011）位）位r2：第：第2（0010），），3（0011），），6（0110），），7（0111），），10（1010），），11（1011）位）位r4：第：第4（0100），），5（0101），），6（0110），），7（0111）位）位r8：第：第8（1000），），9（1001），），10（1010），），11（1011）位）位2计算冗余比特计算冗余比特 首先将原始字符按照图1-9填入11比特单元中的对应位置；然后对不同的比特组合计算偶校验，公式如下：r1=d3 d5 d7 d9 d11r2=d3 d6 d7
13、 d10 d11r4=d5 d6 d7 r8=d9 d10 d11（2）对不同的比特组合计算偶校验，方法如下：）对不同的比特组合计算偶校验，方法如下：r1=d3 d5 d7 d9 d11 =1 0 0 1 1 1=0r2=d3 d6 d7 d10 d11 =1 0 1 0 1=1r4=d5 d6 d7 =0 0 1=1r8=d9 d10 d11 =1 0 1=0填填入入到到图图1-10的的相相应应位位，得得到到完完整整的的海海明明冗冗余比特编码，如图余比特编码，如图1-11所示。所示。例如发送的例如发送的11位数据是位数据是10101001110中第中第6位由位由0变变成了成了1，即接收到的数
14、据是，即接收到的数据是10101101110，接收端按，接收端按如下公式计算新的校验值：如下公式计算新的校验值：r1=d1 d3 d5 d7 d9 d11 =0 1 0 0 1 1 1=0r2=d2 d3 d6 d7 d10 d11 =1 1 1 1 0 1=1r4=d4 d5 d6 d7 =1 0 1 1=1r8=d8 d9 d10 d11 =0 1 0 1=0新计算出的校验值新计算出的校验值R=6（0110，按，按r8，r4，r2，r1的顺序）不等于的顺序）不等于0，说明第，说明第6个比特的位置出错，把个比特的位置出错，把接收到的第接收到的第6个比特的值取反，即得到正确的发送个比特的值取反
15、，即得到正确的发送数据：数据：10101001110。1.3 常见数据与网络通信协议的数据格式1.3.1 以太网数据帧1以太网概述 1980年9月，Dec公司、Intel公司和施乐公司联合提出了10Mbps的以太网第一个版本的DIX V1（DIX是这三个公司名称的缩写）。1982年发布了第二版DIX V2，这个版本成为世界第一个局域网产品规约。2.DIX Ethernet V2标准l（1）前同步码l（2）目的地址l（3）源地址l（4）类型字段l（5）数据字段l（6）帧校验序列字段类型（16进制表示）所代表的协议0 x0800 IP 协议0 x0806 ARP协议0 x8035 RARP协议0
16、x8137 Novell IPX协议0 x86ddIPv6协议3.IEEE的802.3标准（1）第4个字段是长度/类型字段。（2）在IEEE 802.3的数据帧格式中，第5个字段是数据字段，在该字段中包括了LLC子层的LLC帧。4.以太网的最小帧长度以太网的最小帧长度是64字节，其中目的地址占6字节、源地址占6字节、数据/类型字段占2字节、数据字段最少要46字节、FCS校验字段4字节。规定最小帧长度的目的是如果接收端收到小于64字节的数据帧就认为该帧是一个无效帧。数据经过模拟传输系统会出现差错以太网的工作原理是一边发送数据的同时，一边检测是否有冲突产生，因此要求在数据发送完之前，必须要能检测出
17、冲突产生，则得到公式：发送时延 2 往返时间而发送时延要发送数据块长度（）发送数据率（带宽），往返时延传输的距离数据的传输速度，代入上式可得到一个最小帧长。最小帧长可以保证在数据帧没有发送完毕之前，如果产生冲突，则在同一个网段的任意一台主机都能检测到冲突的产生。802.3标准规定凡出现下列情况之一的即为无效的MAC帧：（1）MAC客户数据字段的长度与长度字段的值不一致；（2）帧的长度不是整数个字节；（3）用收到的帧检验序列FCS校验有差错；（4）收到的帧的MAC客户数据字段的长度不在46 1500字节之间。1.3.2 IP数据包 IP地址的编址方法共经过了三个历史阶段：（1）分类的IP地址；（
18、2）子网的划分；（3）构成超网。2.IP地址的分类 表1-2 IP地址的使用范围网络类别最大网络数第一个可用的网络号最后一个可用的网络号每个网络中的最大主机数A126112616777214B16384 128.0191.25565534C2097152192.0.0223.225.250254（4）特殊的IP地址。如果网络ID为127，主机地址任意，这种地址是用来做循环测试用的，不可用作其他用途。在IP地址中，如果某一类网络的主机地址为全1，则该IP地址表示是一个网络或子网的广播地址。（4）特殊的IP地址。在IP地址中，如果某一类网络的主机地址为全0，则该IP地址表示为网络地址或子网地址。私
19、有地址的范围是：10.0.0.1 10.255.255.254（A类）；172.13.0.1 172.32.255.254 （B类）；192.168.0.1 192.168.255.254（C类）。3.IP数据报的格式表1-3 IP数据报协议字段值和对应的协议协议名ICMPIGMPTCPEGPIGPUDPIPv6OSPF协议字段值126891741891.3.3 UDP协议1.UDP协议概述UDP协议是在IP数据报的基础上加上端口和差错检测功能。UDP的特点如下：发送数据之前不需要建立连接。UDP没有拥塞控制，也不保证可靠交付。UDP用户数据报只有8个字节的首部开销。由于UDP没有拥塞控制，因
20、此网络出现的拥塞不会使源主机的发送速率降低。2.用户数据报首部格式1.3.4 TCP协议TCP协议有以下特点：（1）面向流的传送服务。（2）面向连接的传送服务。（3）可靠的传输服务。（4）缓冲传输。（5）全双工传输。（6）流量控制。常见应用程序的熟知端口 应用程序FTPTELNETSMTP DSNTFTPHTTPSNMP熟知端口2123255369801612.TCP数据报格式1.4 接口基础知识1.4.1 计算机的接口所谓接口（Interface），是指两个部件或两个系统之间的交接部分。作为微机接口主要涉及到以下主要接口：微处理器与各外部设备之间的接口、微处理器与存储器之间的接口以及微型计算
21、机之间的接口。1.硬件接口硬件接口实际上就是完成某种逻辑功能和转换功能的电子线路。需要硬件接口的原因：（）外设与微处理器之间的信号不兼容。（）外设与微处理器之间的工作速度不一致。（）CPU直接控制外设会降低效率。（）外设的硬件接口应不依赖CPU。两种语言之间就要有一种约定，使两种语言程序之间能相互交换信息，这种约定就是一种软件接口。2.软件接口3.接口技术微型计算机接口主要负责接收、解释并执行CPU发出的命令，传送外设的状态，以及双方的数据传输，管理双方的工作逻辑、协调它们的工作时序。接口技术是工业实时控制、数据采集中非常重要的微机应用技术，可实现CPU与存储器、I/O设备、控制技术、测量设备
22、、通信设备、A/D、D/A转换器等的信息交换。4.接口的功能（1）数据缓冲功能（2）设备选择功能（3）信号转换功能（4）接收、解释并执行CPU命令的功能中断管理功能当外设需要及时得到CPU的服务时就应在接口中设置中断控制逻辑，由它完成向CPU提出中断请求，进行中断优先级排队，接收中断响应信号以及向CPU提供中断向量等有关中断事务工作。可编程功能，现在的接口芯片多数都是可编程的，这样在不改变硬件的条件下，只改变驱动程序就可改变接口的工作方式和功能，以适应不同的用途。1.4.2 接口传输的信息 在接口部件中需要传输三种信息，分别是数据信息、状态信息、控制信息。1数据信息数据信息是指CPU与外设之间
23、要交换的数据本身，主要包括：数字量、模拟量和开关量三种信息。2状态信息为实现CPU与外设配合工作，CPU需要了解外设所处的现行状态，如打印机是否忙（BUSY），输入设备是否准备好（READY），用于表示外设工作状态的信号叫状态信息，是由外设通过接口传递到CPU的。控制信息1.4.3 接口与系统的连接接口电路位于CPU与外设之间，从结构上看，可以把一个接口分为两个部分：用来和I/O设备相连；用来和系统总线相连，这部分接口电路结构类似，连在同一总线上。1.4.4 输入/输出数据传送方式 主机（CPU+内存）和外设之间数据传送的方式通常有三种：程序控制传送方式、中断传送方式和DMA（直接存储器存取）
24、方式。1程序控制传送方式 程序控制传送方式是由程序来控制CPU和外设之间的数据传送，可分为无条件传送和查询传送。（1）无条件传送方式（2）查询传送方式 查询式输入 实现查询式输入的接口电路如图1-21所示。当输入设备数据准备好，就发低电平有效的选通信号STB，该信号的作用是：a作为8位锁存器的控制信号，当 STB=0时，输入设备的数据被送入锁存器；b使D触发器的输出端Q端变成高电平，表示外设已准备好，接口电路已有外设送来的数据。查询式输出 2.中断传送方式 3DMA方式 DMA方式是在外设和内存之间以及内存与内存之间开辟直接的数据通道，CPU不参与传送过程，整个传送过程由硬件来完成而不需要软件
25、介入 在DMA方式中，对数据传送过程进行控制的硬件称为DMA控制器。3DMA方式 DMA控制器必须具有以下功能：能接收外设的DMA请求DREQ，并能向外设发出DMA响应信号DACK；能向CPU发出总线请求信号HOLD，当CPU发出总线响应信号HLDA后，能接管对总线的控制，进入DMA方式；能发出地址信息，对存储器寻址并修改地址指针；能发出读、写等控制信号，包括存储器读写信号和I/O读写信号；能决定传送的字节数，并能判断DMA传送是否结束；能发出DMA结束信号，释放总线，使CPU恢复正常工作。3DMA方式 1.4.5 输入/输出接口的编址方法1I/O端口统一编址这种方式也称为存储器映射编址方式，是把内存的一部分地址分配给I/O端口，一个8位端口占用一个内存地址单元。已经用于I/O端口的地址，存储器不能再使用。2I/O独立编址这种编址方式中，内存储器和I/O端口有各自独立的地址空间，访问I/O端口需要专门的I/O指令。1.4.5 输入/输出接口的编址方法8086/8088微处理器采用如下方式：（1）访问内存储器使用20根地址线，同时使M/IO 1，内存地址范围为000000FFFFFH，共1MB。（2）访问I/O端口使用低16根地址线，同时使M/IO 0，I/O端口地址范围为00000FFFFH。两个地址空间相互独立，互不影响。