《单片机原理与应用及上机指导》第9章：串行通信及接口
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图9.8 同步通信数据格式
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1．面向字符的同步协议
这种协议的典型代表是IBM公司的二进制同步通信协议(BSC)。它的特点是一次 传送由若干个字符组成的数据块，而不是只传送一个字符，并规定了10个字符 作为这个数据块的开头与结束标志以及整个传输过程的控制信息，它们也叫做通 信控制字或控制字符。由于被传送的数据块是由字符组成的，故被称为面向字符 的协议。 控制字符的格式 如图9.9所示，它每位的含义如下：
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9.2.2 串行通信接口标准
所谓接口标准就是明确定义信号线，使接口电路标准化、 通用化。借助串行通信标准接口，不同类型的数据通信 设备可以很容易实现它们之间的串行通信连接。不同的 计算机系统或通信设备之间要顺利地实现通信，必须遵 循同一规则，这个规则就是一个标准。标准的异步串行 通信接口有RS-232C、RS-449、RS-422、RS-423和RS485。
SYN：同步字符(SYNchronous character)，每一帧开始处都有SYN，加一个SYN 的称单同步，加两个SYN的称双同步。设置同步字符可起联络作用，传送数据时，接 收端不断检测，一旦出现同步字符，就知道是一帧开始了。 SOH：标题开始(Start Of Header)也称序始字符，它表示标题的开始。 标题：Header，包含源地址(发送方地址)、目的地址(接收方地址)、路由指示。 STX：文始字符(Start of Text)，它标志着传送的正文(数据块)开始。 数据块：正文(Text)，被传送的正文内容，由多个字符组成。 ETB：块传输结束(End of Transmission Block)或组终字符，标识本数据块结束。 ETX：全文结束(End of Text)或文终字符(全文分为若干块传输)。 块校验：它对从SOH开始到ETX(或ETB)字段进行校验，校验方式可以是纵横奇偶校 验或CRC。 http://www.wenyuan.com.cn
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9.2.1 串行通信的基本原理
单片机使用串行口进行异步通信时，其接收和发送过程 如下。
(1) 接收。串行口按设定的工作方式和波特率通过P3.0口串行移入 格式化数据到输入寄存器，待整帧数据接收完毕后进行反格式化 处理，然后送入数据缓冲器，形成中断请求RI，通知CPU读取数 据。 (2) 发送。当单片机CPU向串行口的发送数据缓冲寄存器移入所 需发送的数据后，串行口自动按设定的格式将数据组装成标准格 式帧，然后以规定的波特率，借助于发送缓冲器的移位功能通过 P3.1逐位移出。数据移完后，形成中断请求TI，通知CPU准备下 一帧数据的发送过程。
1．RS-232接口 2．RS-422与RS-485串行接口标准 3．3种标准的比较
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1．RS-232接口
RS-232接口(又称 EIA RS-232 C)是目前最常用的一种串 行通信接口。它是在1962年由美国电子工业协会(EIA)联 合贝尔系统、调制解调器厂家及计算机终端生产厂家共 同制定的用于串行通信的标准。它的全名是“数据终端 设备(DTE)和数据通信设备(DCE)之间串行二进制数据交 换接口技术标准”该标准规定采用一个25个脚的 DB25连 接器，对连接器的每个引脚的信号内容加以规定，还对 各种信号的电平加以规定。 (1) 机械特性 (2) 电气特性
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9.3.1 异步通信
2．异步传输的错误检测 由于线路或程序出错等原因，使得通信过程中经常产生传送错误。因为异 步通信的实质为字符的发送是随机的，所以接收方通常可检测到以下一些 错误。 (1) 奇偶错：在通信线路上因噪声干扰而引起的某些数据位的改变，则 会引起奇偶校验错。一般，接收方检测到奇偶错时，则要求发送方重新发 送。 (2) 超越错：在上一个字符还未被处理器读出之前，本次又接收到了一 个字符，则会引起超越错。如果处理器周期检测“接收数据就绪”的速率小 于串行接口从通信线上接收字符的速率，就会引起超越错。通常，接收方 检测到超越错时，可提高处理器周期检测的速率或者接收和发送双方重新 修改数据的传输速率。超越错也称为溢出错。 (3) 帧格式错：若接收方在停止位的位置上检测到一个空号(信息0)，则 会引起一个帧格式错。一般来说，帧格式错的原因较复杂，可能是双方协 议的数据格式不匹配；或线路噪声改变了停止位的状态；因时钟不匹配或 不稳定未能按照协议装配成一个完整的字符帧等。通常，当接收方检测到 一个帧格式错时，应按各种可能性作相应的处理，如要求重 发等。
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图9.7 异步通信的字符帧格式
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9.3.2 同步通信
采用同步通信时，将许多字符组成一个信息组，这样字符可以一个接 一个地传输，每个数据块的头部和尾部都要附加一个特殊的字符或比 特序列，标记一个数据块的开始和结束，一般还要附加一个校验序列 (如16位或32位CRC校验码)，以便对数据块进行差错控制。所谓同 步传输是指数据块与数据块之间的时间间隔是固定的，必须严格规定 它们的时间关系。在没有信息要传输时，要填上空字符，因为同步传 输不允许有间隙。在同步传输过程中，一个字符可以对应5～8位。 当然，对同一个传输过程，所有字符对应同样的数位，比如说n位。 这样，传输时按每n位划分为一个时间片，发送端在一个时间片中发 送一个字符，接收端则在一个时间片中接收一个字符。同步通信数据 格式 如图9.8所示。 根据同步通信规程，同步传输又分为面向字符的同步传输和面向位流 的同步传输。 1．面向字符的同步协议 2．面向位流的同步协议(ISO的HDLC) 3．同步通信的“0位插入和删除技术” 4．SDLC/HDLC异常结束
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9.3.1 异步通信
1．异步通信原理 简单来说，异步通信(Asynchronous Communication)就是以一个字符 为传输单位，用起始位表示字符的开始，用停止位表示字符结束，在异步 通信中，数据通常是以字符为单位组成字符帧传送的。字符帧由发送端一 帧一帧地发送，每一帧数据均是低位在前，高位在后，通过传输线被接收 端一帧一帧地接收。发送端和接收端可以由各自独立的时钟来控制数据的 发送和接收，这两个时钟彼此独立，互不同步。 在异步通信中，接收端是依靠字符帧格式来判断发送端是何时开始发送， 何时结束发送的。字符帧格式是异步通信的一个重要指标。 异步传输格式亦称为起止异步协议，其特点如下： 起止式异步协议的特点是一个字符、一个字符传输，并且传送一个字符总 是以起始位开始，以停止位结束，因为发送与接收双方之间的数据处理速 度有可能不一样，因此在两个字符之间需一定的时间间隔。 异步传输格式字符帧也叫数据帧，由起始位、数据位、奇偶校验位和停止 位4部分组成，其格式 如图9.7所示。 NEXT
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3．3种标准的比较
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RS-232、RS-422和RS-485有关电气参数比较如表9.3所示。
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9.3 通 信 协 议
所谓通信协议是指通信双方的一种约定。在约定中对数据格 式、同步方式、传送速度、传送步骤、检纠错方式及控制字 符定义等作出统一规定，通信双方必须共同遵守。因此，也 叫做通信控制规程，或称传输控制规程。 按照串行数据的时钟控制方式，串行通信可分为异步通信和 同步通信两类。 9.3.1 异步通信 9.3.2 同步通信 9.3.3 异步通信和同步通信的比较
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2．RS-422与RS-485串行接口标准
由于RS-232接口标准出现较早，难免有不足之处，主要 有以下4点。
(1) 接口的信号电平值较高，易损坏接口电路的芯片，又因为与 TTL电平不兼容，故需使用电平转换电路方能与TTL电路连接。 (2) 传输速率较低，在异步传输时，波特率为20kb/s。 (3) 接口使用一根信号线和一根信号返回线而构成共地的传输形 式， 这种共地传输容易产生共模干扰，所以抗噪声干扰性能弱。 (4) 传输距离有限，最大传输距离标准值为50英尺，实际上也只 能 用在50m左右。 针对RS-232的不足，于是就不断出现了一些新的接口标准，RS422、RS-485就是比较有代表性的两种标准。
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9.1 串行口的结构
计算机通信有两种方式：并行通信方式与串行通信方式。并 行通信是将数据字节的各位用多条数据线同时进行传送，并 行通信的特点是：控制简单，传输速度快，但传输线较多， 长距离传送时成本高且接收方的各位同时接收存在困难。串 行通信是将数据字节分成一位一位的形式，在一条传输线上 逐个地传送，串行通信的特点是：传输线少，长距离传送时 成本低，且可以利用电话网等现成的设备，但数据的传送控 制比并行通信复杂。80C51内部有一个串行通信I/O口，通 过它可以实现和其他单片机系统、PC系统的串行通信。
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9.2 串行通信的原理
所谓“串行通信”是指外设和计算机间使用一根数据信号线， 数据在一根数据信号线上按位进行传输，每一位数据都占据 一个固定的时间长度。这种通信方式使用的数据线少，在远 距离通信中可以节约通信成本。当然，其传输速度比并行传 输慢。数据接收设备将接收到的串行形式数据转换成并行形 式进行存储或处理，所以串行口的本质就是单片机与外围数 据设备的数据格式转换(或者称为串/并转换器)，即当数据 从外围设备输入计算机时，数据格式由位(bit)转化为字节 数据；反之，当单片机发送下行数据到外围设备时，串口又 将字节数据转化为位数据。 9.2.1 串行通信的基本原理 9.2.2 串行通信接口标准
第9章 串行通信及接口
教学提示和教学目标 9.1 串行口的结构 9.2 串行通信的原理 9.3 通 信 协 议 9.4 单 机 通 信 9.5 多 机 通 信 9.6 上机指导：串行静态显示电路
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教学提示和教学目标
教学提示：通信是人们传递信息的方式。计算机通信是将计算机技术和 通信技术相结合，完成计算机与外部设备或计算机与计算机之间的信息 交换。串行通信技术是构建单片机应用系统的关键技术，尤其是构建网 络控制单片机应用系统。 教学目标：复习80C51单片机串行接口结构；了解80C51单片机串行 接口原理；掌握80C51单片机串行接口的使用方法。
图9.9 面向字符的同步协议
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2．面向位流的同步协议(ISO的HDLC)
面向位流的同步协议中最具有代表性的是IBM的同步数据链路控制规程 SDLC(Synchronous Data Link Control)，国际标准化组织 ISO(International Standard Organization)的高级数据链路控制规 程HDLC(High Level Data Link Control)，美国国家标准协会 ANSI(Americal National Standard Institute)的先进数据通信规程 ADCCP(Advanced Data Communication Control Procedure)。这 些协议的特点是所传输的一帧数据可以是任意位，而且它是靠约定的位 组合模式，而不是靠特定字符来标志帧的开始和结束，故称“面向位流” 的协议。这种协议的一般帧格式 如图9.10所示。 这种协议的特点是：所传输的一帧数据可以是任意位而且它靠约定的位 组合模式，而不是靠特定字符来标志帧的开始和结束。帧信息的分段： SDLC/HDLC的一帧信息包括以下几个场(Field)，所有场都是从有效位 开始传送。
图9.8 同步通信数据格式
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1．面向字符的同步协议
这种协议的典型代表是IBM公司的二进制同步通信协议(BSC)。它的特点是一次 传送由若干个字符组成的数据块，而不是只传送一个字符，并规定了10个字符 作为这个数据块的开头与结束标志以及整个传输过程的控制信息，它们也叫做通 信控制字或控制字符。由于被传送的数据块是由字符组成的，故被称为面向字符 的协议。 控制字符的格式 如图9.9所示，它每位的含义如下：
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9.2.2 串行通信接口标准
所谓接口标准就是明确定义信号线，使接口电路标准化、 通用化。借助串行通信标准接口，不同类型的数据通信 设备可以很容易实现它们之间的串行通信连接。不同的 计算机系统或通信设备之间要顺利地实现通信，必须遵 循同一规则，这个规则就是一个标准。标准的异步串行 通信接口有RS-232C、RS-449、RS-422、RS-423和RS485。
SYN：同步字符(SYNchronous character)，每一帧开始处都有SYN，加一个SYN 的称单同步，加两个SYN的称双同步。设置同步字符可起联络作用，传送数据时，接 收端不断检测，一旦出现同步字符，就知道是一帧开始了。 SOH：标题开始(Start Of Header)也称序始字符，它表示标题的开始。 标题：Header，包含源地址(发送方地址)、目的地址(接收方地址)、路由指示。 STX：文始字符(Start of Text)，它标志着传送的正文(数据块)开始。 数据块：正文(Text)，被传送的正文内容，由多个字符组成。 ETB：块传输结束(End of Transmission Block)或组终字符，标识本数据块结束。 ETX：全文结束(End of Text)或文终字符(全文分为若干块传输)。 块校验：它对从SOH开始到ETX(或ETB)字段进行校验，校验方式可以是纵横奇偶校 验或CRC。 http://www.wenyuan.com.cn
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9.2.1 串行通信的基本原理
单片机使用串行口进行异步通信时，其接收和发送过程 如下。
(1) 接收。串行口按设定的工作方式和波特率通过P3.0口串行移入 格式化数据到输入寄存器，待整帧数据接收完毕后进行反格式化 处理，然后送入数据缓冲器，形成中断请求RI，通知CPU读取数 据。 (2) 发送。当单片机CPU向串行口的发送数据缓冲寄存器移入所 需发送的数据后，串行口自动按设定的格式将数据组装成标准格 式帧，然后以规定的波特率，借助于发送缓冲器的移位功能通过 P3.1逐位移出。数据移完后，形成中断请求TI，通知CPU准备下 一帧数据的发送过程。
1．RS-232接口 2．RS-422与RS-485串行接口标准 3．3种标准的比较
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1．RS-232接口
RS-232接口(又称 EIA RS-232 C)是目前最常用的一种串 行通信接口。它是在1962年由美国电子工业协会(EIA)联 合贝尔系统、调制解调器厂家及计算机终端生产厂家共 同制定的用于串行通信的标准。它的全名是“数据终端 设备(DTE)和数据通信设备(DCE)之间串行二进制数据交 换接口技术标准”该标准规定采用一个25个脚的 DB25连 接器，对连接器的每个引脚的信号内容加以规定，还对 各种信号的电平加以规定。 (1) 机械特性 (2) 电气特性
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9.3.1 异步通信
2．异步传输的错误检测 由于线路或程序出错等原因，使得通信过程中经常产生传送错误。因为异 步通信的实质为字符的发送是随机的，所以接收方通常可检测到以下一些 错误。 (1) 奇偶错：在通信线路上因噪声干扰而引起的某些数据位的改变，则 会引起奇偶校验错。一般，接收方检测到奇偶错时，则要求发送方重新发 送。 (2) 超越错：在上一个字符还未被处理器读出之前，本次又接收到了一 个字符，则会引起超越错。如果处理器周期检测“接收数据就绪”的速率小 于串行接口从通信线上接收字符的速率，就会引起超越错。通常，接收方 检测到超越错时，可提高处理器周期检测的速率或者接收和发送双方重新 修改数据的传输速率。超越错也称为溢出错。 (3) 帧格式错：若接收方在停止位的位置上检测到一个空号(信息0)，则 会引起一个帧格式错。一般来说，帧格式错的原因较复杂，可能是双方协 议的数据格式不匹配；或线路噪声改变了停止位的状态；因时钟不匹配或 不稳定未能按照协议装配成一个完整的字符帧等。通常，当接收方检测到 一个帧格式错时，应按各种可能性作相应的处理，如要求重 发等。
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图9.7 异步通信的字符帧格式
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9.3.2 同步通信
采用同步通信时，将许多字符组成一个信息组，这样字符可以一个接 一个地传输，每个数据块的头部和尾部都要附加一个特殊的字符或比 特序列，标记一个数据块的开始和结束，一般还要附加一个校验序列 (如16位或32位CRC校验码)，以便对数据块进行差错控制。所谓同 步传输是指数据块与数据块之间的时间间隔是固定的，必须严格规定 它们的时间关系。在没有信息要传输时，要填上空字符，因为同步传 输不允许有间隙。在同步传输过程中，一个字符可以对应5～8位。 当然，对同一个传输过程，所有字符对应同样的数位，比如说n位。 这样，传输时按每n位划分为一个时间片，发送端在一个时间片中发 送一个字符，接收端则在一个时间片中接收一个字符。同步通信数据 格式 如图9.8所示。 根据同步通信规程，同步传输又分为面向字符的同步传输和面向位流 的同步传输。 1．面向字符的同步协议 2．面向位流的同步协议(ISO的HDLC) 3．同步通信的“0位插入和删除技术” 4．SDLC/HDLC异常结束
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9.3.1 异步通信
1．异步通信原理 简单来说，异步通信(Asynchronous Communication)就是以一个字符 为传输单位，用起始位表示字符的开始，用停止位表示字符结束，在异步 通信中，数据通常是以字符为单位组成字符帧传送的。字符帧由发送端一 帧一帧地发送，每一帧数据均是低位在前，高位在后，通过传输线被接收 端一帧一帧地接收。发送端和接收端可以由各自独立的时钟来控制数据的 发送和接收，这两个时钟彼此独立，互不同步。 在异步通信中，接收端是依靠字符帧格式来判断发送端是何时开始发送， 何时结束发送的。字符帧格式是异步通信的一个重要指标。 异步传输格式亦称为起止异步协议，其特点如下： 起止式异步协议的特点是一个字符、一个字符传输，并且传送一个字符总 是以起始位开始，以停止位结束，因为发送与接收双方之间的数据处理速 度有可能不一样，因此在两个字符之间需一定的时间间隔。 异步传输格式字符帧也叫数据帧，由起始位、数据位、奇偶校验位和停止 位4部分组成，其格式 如图9.7所示。 NEXT
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3．3种标准的比较
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RS-232、RS-422和RS-485有关电气参数比较如表9.3所示。
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9.3 通 信 协 议
所谓通信协议是指通信双方的一种约定。在约定中对数据格 式、同步方式、传送速度、传送步骤、检纠错方式及控制字 符定义等作出统一规定，通信双方必须共同遵守。因此，也 叫做通信控制规程，或称传输控制规程。 按照串行数据的时钟控制方式，串行通信可分为异步通信和 同步通信两类。 9.3.1 异步通信 9.3.2 同步通信 9.3.3 异步通信和同步通信的比较
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2．RS-422与RS-485串行接口标准
由于RS-232接口标准出现较早，难免有不足之处，主要 有以下4点。
(1) 接口的信号电平值较高，易损坏接口电路的芯片，又因为与 TTL电平不兼容，故需使用电平转换电路方能与TTL电路连接。 (2) 传输速率较低，在异步传输时，波特率为20kb/s。 (3) 接口使用一根信号线和一根信号返回线而构成共地的传输形 式， 这种共地传输容易产生共模干扰，所以抗噪声干扰性能弱。 (4) 传输距离有限，最大传输距离标准值为50英尺，实际上也只 能 用在50m左右。 针对RS-232的不足，于是就不断出现了一些新的接口标准，RS422、RS-485就是比较有代表性的两种标准。
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9.1 串行口的结构
计算机通信有两种方式：并行通信方式与串行通信方式。并 行通信是将数据字节的各位用多条数据线同时进行传送，并 行通信的特点是：控制简单，传输速度快，但传输线较多， 长距离传送时成本高且接收方的各位同时接收存在困难。串 行通信是将数据字节分成一位一位的形式，在一条传输线上 逐个地传送，串行通信的特点是：传输线少，长距离传送时 成本低，且可以利用电话网等现成的设备，但数据的传送控 制比并行通信复杂。80C51内部有一个串行通信I/O口，通 过它可以实现和其他单片机系统、PC系统的串行通信。
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9.2 串行通信的原理
所谓“串行通信”是指外设和计算机间使用一根数据信号线， 数据在一根数据信号线上按位进行传输，每一位数据都占据 一个固定的时间长度。这种通信方式使用的数据线少，在远 距离通信中可以节约通信成本。当然，其传输速度比并行传 输慢。数据接收设备将接收到的串行形式数据转换成并行形 式进行存储或处理，所以串行口的本质就是单片机与外围数 据设备的数据格式转换(或者称为串/并转换器)，即当数据 从外围设备输入计算机时，数据格式由位(bit)转化为字节 数据；反之，当单片机发送下行数据到外围设备时，串口又 将字节数据转化为位数据。 9.2.1 串行通信的基本原理 9.2.2 串行通信接口标准
第9章 串行通信及接口
教学提示和教学目标 9.1 串行口的结构 9.2 串行通信的原理 9.3 通 信 协 议 9.4 单 机 通 信 9.5 多 机 通 信 9.6 上机指导：串行静态显示电路
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教学提示和教学目标
教学提示：通信是人们传递信息的方式。计算机通信是将计算机技术和 通信技术相结合，完成计算机与外部设备或计算机与计算机之间的信息 交换。串行通信技术是构建单片机应用系统的关键技术，尤其是构建网 络控制单片机应用系统。 教学目标：复习80C51单片机串行接口结构；了解80C51单片机串行 接口原理；掌握80C51单片机串行接口的使用方法。
图9.9 面向字符的同步协议
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2．面向位流的同步协议(ISO的HDLC)
面向位流的同步协议中最具有代表性的是IBM的同步数据链路控制规程 SDLC(Synchronous Data Link Control)，国际标准化组织 ISO(International Standard Organization)的高级数据链路控制规 程HDLC(High Level Data Link Control)，美国国家标准协会 ANSI(Americal National Standard Institute)的先进数据通信规程 ADCCP(Advanced Data Communication Control Procedure)。这 些协议的特点是所传输的一帧数据可以是任意位，而且它是靠约定的位 组合模式，而不是靠特定字符来标志帧的开始和结束，故称“面向位流” 的协议。这种协议的一般帧格式 如图9.10所示。 这种协议的特点是：所传输的一帧数据可以是任意位而且它靠约定的位 组合模式，而不是靠特定字符来标志帧的开始和结束。帧信息的分段： SDLC/HDLC的一帧信息包括以下几个场(Field)，所有场都是从有效位 开始传送。