modem串口解析

MODEM 是用户接入互联网的重要设备。虽然网络干线上已经普及宽带光纤传输，但是在拥有庞大用户群的最后一公里路段上，目前最现实的接入方式还是铜线连接(电话 线，双绞线、电缆)。另外，随着无线技术的发展，采用无线接入的固定/移动用户也越来越多。不论是铜线连接还是无线接入，都要采用调制解调器，以便使数据 信号能够在信道内传输。
     MODEM的对外接口是串口，这个串行I/O口用于传输控制信号、状态信号、数据、AT指令及其响应。虽然MODEM种类繁多(56K猫/GPRS/CDMA等)，但对外都表现为一个标准的串口，只要将这个串口了解清楚，那么就可以将所有的MODEM一网打尽。
    
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     * (1) UART   *
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     一般地，我们把这个串口叫作UART(Universal Asynchronous Receiver and Transmitter 通用异步收发器)。
     其中，RT是接收和发送的英文缩写，能收能发又是串口，说白了就是串行I/O口的意思。
     A表示异步模式。这种模式的优点是适应性强，对时钟精度要求低(成本低)。每次发送字节数据前都首先发送一个开始位同步时钟相位，抖动误差不会在整个通信过程中累积，只影响单个字节的传输单元。
     U的意思是通用。为什么一定要冠以“通用”二字，这个定语到底想强调什么呢？
     话 说很早以前，还没有出现计算机的时候，就已经出现了串口设备。例如：MODEM、电传打字机、工控设备、数传机等等。为了方便设备互连，EIA制定了 RS232标准化规范，采用DB25接口连接DTE(Data Terminal Equipment数据终端设备)和DCE(Data Communications Equipment数据通信设备)。后来，出现了个人计算机(PC机)，这些已有的设备毫无疑问地成了最初的外设，为了将其接入主机，制造商们自然地选择 了标准的RS232串口。在这个标准中，DB25接口支持同步和异步两种工作模式，采用D型接插件，防止插反。这种设计兼容性好，使用方便，但是制造商们 并不买帐，他们更倾向于进一步减少接插件的大小和成本。通过删除DB25中未使用的引脚和支持同步模式的引脚，将DB25改造成只有9根线，只支持异步模 式，体积更小，成本更低的DB9。最初的状况比较混乱，因为DB9只给出了信号范围，但没有指出引脚和信号的对应关系，而且DB9也不是RS232规范所 定义的接口标准，因此各个制造商只能自行定义对应关系。后来，IBM制造的PC机成了行业标准，DB9的对应关系就逐渐统一到了IBM的定义上，现如今使 用的DB9就是遵守的IBM的定义。随着时代的发展，计算机越来越普及，外设的种类也越来越多，有些非RS232的串行设备需要接入主机，这就要求主机提 供更多的I/O口。如果为每一种新出现的设备都提供一个I/O，显然是不现实的，因为主机后面板位置有限，不可能容纳太多的接口。幸运的是，外部I/O口 大体上主要分为两类：并口和串口。如果复用已有的RS232串口接入非RS232的设备，那么就可以用有限的接口，接入大量的设备。一个有趣的现象是，早 期的操作系统DOS和ROM BIOS提供的通信例程只支持RS232串口标准，即使是实现简单的字节收发这种非RS232应用，竟然也要先检测DSR、DCD、CTS等信号是否有 效，如果不满足条件，将不会发送数据到TXD上。解决这个问题的方法有两种：1、旁路系统提供的API函数，自己直接操纵硬件实现非RS232的操 作；2、短接接头里某些RS232控制信号线，使系统通信例程误以为是RS232设备，使非RS232的设备满足RS232规范的子集要求。
     现 在，PC机上的串口既支持RS232应用又支持非RS232应用，通用串口指的就是这个意思。RS232规范对速度和距离都有约束，在码元畸变小于4%的 条件下，传输距离上限是15米；速率上限是19200。目前，在PC机上的串口都突破了RS232标准的限制，速度可以达到115200甚至更高。软件 上，已经可以选项配置是否支持硬件流控，是否检查DSR、DCD、RI等输入信号。可以说，现在的PC串口，来源于RS232，但又不拘泥于它的限制，越 来越向通用目的的串口方向发展。UART到此可以总结为：用于通用目的的异步串行I/O口。
     综上，可以看出计算机串口发展的大致历程：
     (个 人计算机)史前出现原始的串口设备 --> EIA制定RS232统一标准，DB25出现 --> 个人计算机诞生，为引入串口，DB9出现，软硬件仍然遵循RS232标准 --> 为引入新的非RS232串口，将原来的RS232口改造成通用目的的UART，软硬件可以不遵循RS232规范。
    
     PC机 串口拥有多个名字：串口、RS232口、COM口(通信口)、异步口、UART等，他们是不同历史时期的产物，一直沿用至今，让现在的人们感觉有些莫名其 妙。最开始PC机接入的串行外设是RS232设备，就叫RS232口。这个设备主要是通信用的MODEM，PC上就称为COM口。现在连非RS232设备 也接了进来，就叫UART吧。不过新名字没有老名字有名，有些人的习惯改不过来，再说计算机发展太快，老名字还没消失，新名字就出现了，而且各有各的拥 趸，约定俗成，那就这么乱着叫吧。
    
     就在UART准备一统江湖的时候，制造商们再一次不满于它的速度、灵活性(软件可配 置)和体积，推出了USB串口和1394串口。现在越来越多的笔记本电脑上已经取消了UART串口，因此有不少网友发出“没有串口，吾谁与归”的慨叹，历 史前进的脚步无法阻挡，古今多少事，都付笑谈中，USB取代UART是后话，暂且不表。
    
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     * (2) DB9引脚定义和表示 *
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     DB9遵循IBM定义，所有输入输出方向都是站在DTE角度说的。
     1--载波检测DCD     2--接收数据RXD     3--发送数据TXD     4--数据终端就绪DTR     5--信号地GND
     6--数据设备就绪DSR     7--请求发送RTS     8--清除发送CTS     9--振铃指示RI
    
     在TXD和RXD上:(一般，驱动器件都是反相器，用负表示"1"，用正表示"0"，采用负逻辑，完全可以理解。)
                     逻辑0(SPACE 空号) = +3V～+15V
                     逻辑1(MARK 传号)   = -3V～-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，高电平）= +3V～+15V
                     信号无效（断开，OFF状态，负电压，低电平) = -3V～-15V

     -3V 到+3V之间的电平无意义，称为死区，不应该处于这个电压范围。+3V以上，-3V以下的一段区间属于过渡区，尽量不要使电平落入此区间，以便使判断更可 靠，最好在+12V以上，-12V以下。一般的驱动器件为+-12V电压。工程上，电压不可能如此理想，判断需要在一定范围内进行，有些半导体器件也不容 易升压到+-15V，同时，大摆幅电路速度也高不了。
    
     以上说的是RS232电平，在未经驱动的芯片引脚上是TTL电平：
                     信号有效   二进制0   = 0-0.3V
                     信号无效   二进制1   = 3.3V/5V
                     如果不经RS232驱动芯片，直接把MCU和Modem模块(TTL电平)连接，需要注意电平兼容。

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     * (3) DB9引脚信号详细说明   *
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     注 意：硬件只提供机制而不提供策略，RS232的规范由软件实现，硬件只是提供标准的硬件信号线。例如：载波检测由软件完成，硬件只提供DCD引脚信号。硬 件流控并不是说将RTS和CTS接到相应引脚位置上，硬件就可以自动实现流量控制，硬件流控是靠软件实现的，之所以强调“硬件”二字，只是因为硬件为软件 提供了指示信号的硬件通路，而软件流控没有使用硬件指示信号罢了。
     RS232规定的是DTE和DCE设备间连接，而现在大多数设备已经内嵌了CPU，可以主动发送数据，因此成了DTE设备，DTE和DTE的连接RS232里没有规定，需要使用交叉线。
     有兴趣的读者可以尝试着分别剪断9根线，看看会有什么现象发生。看看拨号软件将弹出什么样的错误信息。
    
     TXD(Transmitted Data发送数据),RXD(Received Data接收数据)------数据传输物理通道，DTE和DCE设备此引脚一一对应连接即可，两个DTE设备需要交叉连接。所谓收发全是站在DTE角度 说的。可以在这两个引脚对应的芯片引脚上连接LED指示灯，在数据收发时会有闪烁指示。这两个信号连接芯片内部的并/串和串/并电路，先处理低位，硬件上 不受其他硬件控制信号的影响。
    
     GND(Ground地)----------地参考点。RS232是非平衡接法，不是差分的，所以抗噪性能不好，收发信号需要高电压+15V/-15V，摆幅大，速率低。此地使两端电位参考点一致，避免了地回路。
    
     DCD(Data Carrier Detect数据载波检测)----------当话音通路建立后，两端Modem各自发送单频载波，以便各自的对端实时检测链路通断。只要检测到载波信 号，DCD就有效。此信号无效时用于触发no carrier事件，提供向上层传递lower down消息的机制，使PPP复位，并根据策略决定是否断线重拨。在PPP收发数据时应实时监测DCD信号，只有当DCD有效时才能进行收发操作。
    
     DTR(Data Terminal Ready数据终端准备好),DSR(Data Set Ready数据设备准备好)----------虽然通过RXD和TXD就可以收发数据，但是在发送数据前还是应该先确定对方是否准备好，以避免不必要的 数据丢失。DTR和DSR引脚用于主硬件流控。DTR有效表示DTE设备可以接收数据，DSR有效表示DCE设备可以接收数据。DTE向DCE发送数据前 要检测DSR信号，如果无效将不会发送，同样，DCE向DTE发送数据前也要先检测DTR是否有效。这是RS232规范的要求。
     MODEM 并没有使用DTR和DSR实现通常意义上的硬件流控。DTR在整个通信期间保持有效，DSR在MODEM上电后立即有效/在发出载波后有效(这取决于程序 对DSR的理解，是把它简单地看成电源开关指示还是看成拨号后的指示)并在整个通信过程中一直保持有效。DTR或DSR在任何时间点无效，都将终止通信过 程。有人可能奇怪RS232标准里明明使用这两个信号用于主硬件流控，为什么MODEM却这样安排时序呢？原来MODEM根本就没有按照RS232的规范 将DTR和DSR用于硬件流控，它只使用这两个信号指示DTE和DCE已经上电，可以开始工作。当然这在某种意义上也算是流控，但它确实不是RS232所 指的那种，MODEM是通过RTS和CTS实现的硬件流控。
     DTR和DSR的这种使用方法最初是由贺氏Hayes公司在Smart Modem里最先采用的，后来贺氏Hayes MODEM成为行业事实上的标准，其他公司参照贺氏设计的时序生产与其兼容的MODEM，甚至连AT指令都一样(大家一起抄他呗)。因此，现在的 MODEM都不遵守RS232在这两个引脚上定义的用法了。
     Data Terminal和Data Set是两个过时的名字，这两个术语已经被废弃了(谁还记得数据终端和数传机啊，早就成古董了，兴许在博物馆还能见到实物)。RS232-D版本中起用 DTE ready和DCE ready两个新名字。虽然新名字表达的意思清楚多了，但可以肯定的说，旧名字仍将继续使用。

     RTS(Request To Send请求发送),CTS(Clear To Send清除发送)------------半双工时，用于收发模式切换。属于辅助流控信号。半双工的意思是说，发的时候不收，收的时候不发。那么怎么区 分收发呢？缺省时是DCE向DTE发送数据，当DTE决定向DCE发数据时，先有效RTS，表示DTE希望向DCE发送，一般DCE不能马上转换收发状 态，DTE就通过监测CTS是否有效来判断可否发送，这样避免了DTE在DCE未准备好时发送所导致的数据丢失。
     全双工时，这两个信号一直有效即可。
     以 上所述是RS232标准的定义，然而在MODEM中，完全没有遵守这个规范，而是将其用于硬件流控。很多人根据RTS和CTS的字面意思理解他们的用法往 往百思不得其解，再加上半双工/全双工，就更加云里雾里了。RTS和CTS在MODEM中的用法与他们字面的含义没有任何关系，他们已经由贺氏公司重新定 义了用法。以下是网友dengm给出的程序，详细说明了RTS和CTS在MODEM里的用法。RTS用于指示本端是否可以接收数据，CTS指示对端是否可 以接收数据。