物理層

物理層要解決的主要問題：

（1）物理層要儘可能地屏蔽掉物理設備和傳輸媒體，通信手段的不同，使數據鏈路層感覺不到這些差異，只考慮完成本層的協議和服務。

（2）給其服務用戶（數據鏈路層）在一條物理的傳輸媒體上傳送和接收比特流（一般為串列按順序傳輸的比特流）的能力，為此，物理層應該解決物理連接的建立、維持和釋放問題。 （3）在兩個相鄰系統之間唯一地標識數據電路。

物理層主要功能：為數據端設備提供傳送數據通路、傳輸數據。

1.為數據端設備提供傳送數據的通路，數據通路可以是一個物理媒體，也可以是多個物理媒體連接而成。一次完整的數據傳輸，包括激活物理連接，傳送數據，終止物理連接。所謂激活，就是不管有多少物理媒體參與，都要在通信的兩個數據終端設備間連接起來，形成一條通路。

2.傳輸數據，物理層要形成適合數據傳輸需要的實體，為數據傳送服務。一是要保證數據能在其上正確通過，二是要提供足夠的帶寬（帶寬是指每秒鐘內能通過的比特（BIT）數），以減少通道上的擁塞。傳輸數據的方式能滿足點到點，一點到多點，串列或并行，半雙工或全雙工，同步或非同步傳輸的需要。

3. 完成物理層的一些管理工作。

物理層的媒體包括架空明線、平衡電纜、光纖、無線通道等。通信用的互連設備指DTE和DCE間的互連設

備。DTE即數據終端設備，又稱物理設備，如計算機、終端等都包括在內。而DCE則是數據通信設備或電路連接設備，如數據機等。數據傳輸通常是經過DTE──DCE，再經過DCE──DTE的路徑。互連設備指將DTE、DCE連接起來的裝置，如各種插頭、插座。LAN中的各種粗、細同軸電纜、T型接、插頭，接收器，發送器，中繼器等都屬物理層的媒體和連接器。

物理層的介面的特性

（1）機械特性

指明介面所用的接線器的形狀和尺寸、引線數目和排列、固定和鎖定裝置等等。

（2）電氣特性

指明在介面電纜的各條線上出現的電壓的範圍。

（3）功能特性

指明某條線上出現的某一電平的電壓表示何意。

（4）規程特性 指明對於不同功能的各種可能事件的出現順序。

物理層的主要特點：

（1）由於在OSI之前，許多物理規程或協議已經制定出來了，而且在數據通信領域中，這些物理規程已被許多商品化的設備所採用，加之，物理層協議涉及的範圍廣泛，所以至今沒有按OSI的抽象模型制定一套新的物理層協議，而是沿用已存在的物理規程，將物理層確定為描述與傳輸媒體介面的機械，電氣，功能和規程特性。

（2）由於物理連接的方式很多，傳輸媒體的種類也很多，因此，具體的物理協議相當複雜。

信號的傳輸離不開傳輸介質，而傳輸介質兩端必然有介面用於發送和接收信號。因此，既然物理層主要關心如何傳輸信號，物理層的主要任務就是規定各種傳輸介質和介面與傳輸信號相關的一些特性。

1．機械特性

也叫物理特性，指明通信實體間硬體連接介面的機械特點，如介面所用接線器的形狀和尺寸、引線數目和排列、固定和鎖定裝置等。這很像平時常見的各種規格的電源插頭，其尺寸都有嚴格的規定。

已被ISO 標準化了的DCE介面的幾何尺寸及插孔芯數和排列方式。

DTE（Data Terminal Equipment，數據終端設備，用於發送和接收數據的設備，例如用戶的計算機）的連接器常用插針形式，其幾何尺寸與．DCE（Data Circuit-terminating Equipment，數據電路終接設備，用來連接DTE與數據通信網路的設備，例如Modem數據機）連接器相配合，插針芯數和排列方式與DCE連接器成鏡像對稱。

2．電氣特性

規定了在物理連接上，導線的電氣連接及有關電路的特性，一般包括：接收器和發送器電路特性的說明、信號的識別、最大傳輸速率的說明、與互連電纜相關的規則、發送器的輸出阻抗、接收器的輸入阻抗等電氣參數等。

3．功能特性

指明物理介面各條信號線的用途（用法），包括：介麵線功能的規定方法，介面信號線的功能分類--數據信號線、控制信號線、定時信號線和接地線4類。

4．規程特性

指明利用介面傳輸比特流的全過程及各項用於傳輸的事件發生的合法順序，包括事件的執行順序和數據傳輸方式，即在物理連接建立、維持和交換信息時，DTE/DCE雙方在各自電路上的動作序列。

以上4個特性實現了物理層在傳輸數據時，對於信號、介面和傳輸介質的規定。

物理層的一些標準和協議早在OSI/TC97/C16 分技術委員會成立之前就已制定並在應用了，

OSI也制定了一些標準並採用了一些已有的成果。下面將一些重要的標準列出，以便讀者查閱。

ISO2110:稱為"數據通信----25芯DTE/DCE介面連接器和插針分配"。它與EIA（美國電子工業協會）的"RS-232-C"基本兼容。

ISO2593:稱為"數據通信----34芯DTE/DCE----介面連接器和插針分配"。

ISO4902:稱為"數據通信----37芯DTE/DEC----介面連接器和插針分配"。與EIARS-449兼容。

CCITT V。24:稱為"數據終端設備（DTE）和數據電路終接設備之間的介面電路定義表"。其功

能與EIARS-232-C及RS-449兼容於100序列線上。

反映在物理介面協議中的物理介面的4個特性是機械特性、電氣特性、功能特性與規程特性。：

（1）機械特性，指明介面所用接線器的形狀和尺寸、引線數目和排列、固定和鎖定裝置等。這很像平時常見的各種規格的電源插頭的尺寸都有嚴格的規定。

（2）電氣特性，指明在介面電纜的各條線上出現的電壓的範圍。

物理層的電氣特性規定了在物理連接上傳輸二進位位流時線路上信號電壓高低、阻抗匹配情況、傳輸速率和距離的限制等．早期的電氣特性標準定義物理連接邊界點上的電氣特性，而較新的電氣特性標準定義的都是發送器和接收器的電器特性，同時還給出了互連電纜的有關規定．比較起來，較新的標準更有利於發送和接收線路的集成化工作．物理層介面的電氣特性主要分為三類：非平衡型，新的非平衡型和新的平衡型。

非平衡型的信號發送器和接收器均採用非平衡方式工作，每個信號用一根導線傳輸，所有信號共用一根地線．信號的電平是用+5V～+15V，表示二進位"0"，用-5V～-15V，表示二進位"1"．信號傳輸速率限於20Kbps以內，電線長度限於15M以內．由於信號線是單線，因此線間干擾大，傳輸過程中的外界干擾也很大。

在新的非平衡型標準中，發送器採用非平衡方式工作．接收器採用平衡方式工作（即差分接收器）．每個信號用一根導線傳輸．所有信號共用兩根地線，即每個方向一根地線．信號的電平使用+4v~+6v表示二進位"0"，用－4V～－6V表示二進位"1"．當傳輸距離達到1000M時，信號傳輸速率在3kbps以下，隨著傳輸速率的提高，傳輸距離將縮短．在10M以內的近距離情況下，傳輸速率可達300kbps。由於接收器採用差分方式接收，且每個方向獨立使用信號地，因此減少了線間干擾和外界干擾．

新的平衡型標準規定，發送器和接收器均以差分方式工作，每個信號用兩根導線傳輸，整個介面無需共用信號就可以正常工作，信號的電平由兩根導線上信號的差值表示．相對於某一根導線來說，差值在+4V～+6V表示二進位"0"，差值在－4V～－6V表示二進位"1"．當傳輸距離達到1000M時，信號傳輸率在100kbps以下；當在10m以內的近距離傳輸時，速率可達10Mbps。由於每個信號均使用雙線傳輸，因此線間干擾和外界干擾大大削弱，具有較高的抗共模干擾能力。

（3）功能特性，規定了介面信號的來源、作用以及其他信號之間的關係。即物理介面上各條信號線的功能分配和確切定義。物理介面信號線一般分為數據線、控制線、定時線和地線。

DTE/DCE標準介面的功能特性主要是對各介面信號線作出確切的功能定義，並確定相互間的操作關係。對每根介面信號線的定義通常採用兩種方法：一種方法是一線一義法，即每根

信號線定義為一種功能，CCITT V24、EIA RS-232-C、EIA RS-449等都採用這種方法；另一種方法是一線多義法，指每根信號線被定義為多種功能，此法有利於減少介面信號線的數目，它被CCITT X。21所採用。

介面信號線按其功能一般可分為接地線、數據線、控制線、定時線等類型。對各信號線的命名通常採用數字、字母組合或英文縮寫三種形式，如EIA RS-232-C採用字母組合，EIA RS-449採用英文縮寫，而CCITT V。24則以數字命名。在CCITT V。24建議中，對DTE/DCE介面信號線的命名以1開頭，所以通常將其稱為100系列介麵線，而用於DTE/ACE介面信號線命名以2開頭，故將它稱做200系列介面信號線。

（4）規程特性，定義了再信號線上進行二進位比特流傳輸的一組操作過程，包括各信號線的工作順序和時序，使得比特流傳輸得以完成。

DTE/DCE標準介面的規程特性規定了DTE/DCE介面各信號線之間的相互關係、動作順序以及維護測試操作等內容。規程特性反映了在數據通信過程中，通信雙方可能發生的各種可能事件。由於這些可能事件出現的先後次序不盡相同，而且又有多種組合，因而規程特性往往比較複雜。描述規程特性一種比較好的方法是利用狀態變遷圖。因為狀態變遷圖反映了系統狀態的變遷過程，而系統狀態遷移正是由當前狀態和所發生的事件（指當時所發生的控制信號）所決定的。

不同的物理介面標準在以上4個重要特性上都不盡相同。實際網路中比較廣泛使用的是物理介面標準有EIA-232-E、EIA RS-449和CCITT的X。21建議。EIA RS-232C仍是目前最常用的計算機非同步通信介面。

通信硬體包括通信適配器（也稱通信介面）和數據機（MODEM）以及通信線路。從原理上講，物理層只解決DTE和DCE之間的比特流傳輸，儘管作為網路節點設備主要組成部分的通信控制裝置，其本身內涵在物理層、數據鏈路層、甚至更高層，在內容上分界並不很分明，但它所包含的MODEM介面、比特的採樣發送、比特的緩衝等功能是確切屬於物理層範疇的。為了實現PC機與數據機或其它串列設備通信，首先必須使用電子線路將PC機內的并行數據轉成與這些設備相兼容的比特流。除了比特流的傳輸之外，還必須解決一個字元由多少個比特組成及如何從比特流中提取字元等技術問題，這就需要使用通信適配。通信適配器可以認為是用於完成二進位數據的串、並轉換及一其它相關功能的電路。通信適配器按通信規程來劃分可分為TTY（TeleTypeWriter，電傳打字機）、BSC(BirarySynchronousCommuication，二進位同步通信）和HDLC（High－levelDatalinkControl，高級數據鏈路控制）三種。

IBMPC非同步通信適配器：使用TTY規程的非同步通信適配採用RS－232C介面標準。這種通信適配器除可用於PC機聯機通信外，還可以連接各種採用RS－232C介面的外部設備。例如，可連接採用RS-232C介面的滑鼠器、數字化儀等輸入設備；可連接採用RS-232C介面的印表機、繪圖儀及CRT顯示器等各種輸出設備。可見，非同步通信適配器的用途是很廣泛的。非同步通信規程將每個字元看成一個獨立的信息，字元可順序出現在比特流中，字元與字元間的間隔時間是任意的（即字元間採用非同步定時），但字元中的各個比特用固定的時鐘頻率傳輸。字元間的非同步定時和字元中比特之間的同步定時，是非同步傳輸規程的特徵。

物理層

非同步傳輸規程中的每個字元均由四個部分組成：

（1）1位起始位：以邏輯“0”表示，通信中稱“空號”（SPACE）。

（2）5～8位數據位：即要傳輸的內容。

（3）1位奇/偶檢驗位：用於檢錯。

（4）1～2位停止位：以邏輯“1”表示，用以作字元間的間隔。這種傳輸方式中，每個字元以起始位和停止位加以分隔，故也稱“起--止”式傳輸。串列口將要發送的數據中的每個并行字元，先轉換成串列比特串，並在串前加上起始位，串后加上檢驗位和停止位，然後發送出去。接收端通過檢測起始位，檢驗位和停止位來保證接收字元中比特串的完整性，最後再轉換成并行的字元。串列非同步通信適配器本身就象一個微型計算機，上述功能均由它透明地完成，不須用戶介入。早期的非同步通信適配器被做成單獨的插件板形成，可直接插在PC機的系統擴充槽內供使用，後來大多將非同步通信適配器與其他適配器（如印表機、磁碟驅動器等的適配器）做在一塊稱作多功能板的插件板上。也有一些高檔微機，已將非同步通信適配器做在系統主板上，作為微機系統的一個常規部件。

物理層圖2.14

IBM－PC非同步通信適配器主要由一片INS8250大規模集成電路晶元組成，其結構框圖參見圖2.14，所有功能可以通過程序對INS8250進行設置。供編程設置的介面特性有：

（1）數據傳輸速率可在50bps至9600bps之間選擇。

（2）5～8位數據字元比特數的選擇。

（3）奇/偶檢驗位的選擇。

（4）1位、1位半及2位停止位的選擇。

（5）可分別控制發送、接收、線路狀態及數據設備中斷。

（6）MODEM控制功能的選擇。INS8250是美國國家半導體公司（NSC）設計的用於8位微機的非同步通信介面晶元，為與16位微機相配合，NSC又設計了NS16450非同步通信介面晶元，它是INS8250的改進型，主要是速度方面的性能提高了，以適應高性能CPU的讀/寫時間的要求。但軟體方面NS16450完全與INS8250兼容，且封裝結構和引腳也完全一致。NS16450已經成為微機用非同步通信介面晶元的工業標準。從圖2.14可以看出IBM-PC非同步通信適配的工作原理。首先，可通過程序對INS8250的傳輸速率、數據格式等進行初始化設置。發送數據時，INS8250便根據設置的參數將要發送的8位并行字元信息轉換成串列比特流，並自動加上起始位、檢驗位和停止位按指定的速率經RS－232C介面發送至外部設備或MODEM。接收數據時，INS8250將外部設備或MODEM發送來的串列比特流數據經RS－232C介面接收並去除起始位、停止位，自動進行奇/偶檢驗，再轉換成8位并行字元數據送給PC機。在整個傳輸過程中，INS8250對傳輸過程中的各種狀態進行檢測，並且PC機可以直接讀取這些狀態或者由這些狀態產生的中斷請求，以便全面地對整個傳輸過程進行控制。

非同步通信適配與外部設備或MODEM的連接是通過EIARS－232C標準介面，採用標準的25芯DTE連接器完成的。因為PC機內部使用的信號電平是TTL電平，即0～5伏的正邏輯電平，所以發送和接收時都要進行TTL電平與RS－232C電平的轉換，這一功能由通信適配器中的RS-232C驅動器實現。需要說明的是，IBMPC的非同步通信適配器是一種實用技術，它遵循EIARS－232C的標準，但並未用全RS－232C的全部定義。出於實際應用考慮，它沒有選用RS－232C標準介面中定義的輔通道介面功能，而利用空餘出來的介面信號線位置設置了一種稱作“電流環”的介面。電流環也是串列介面中的一種驅動形式，門用於連接具有電流環介面的外部設備。電流環是以其中流動的20mA電流的有、無來表示信號的邏輯狀態的。電流環介面只有數據輸入/輸出部分，沒有MODEM控制信號，無法連接MODEM。與RS－232C介面比較，電流環介面採用了光電耦合技術，具有隔離作用，使直接數據傳輸距離比RS－232C介面長。INS8250中包含一個可編程波特率發生器，外接晶振頻率可取1.8432或3.072MHz，並能夠用1至65525之中的任何除數對它進行分頻，除數以16位二進位形式存放於兩個8位寄存器（即分頻數鎖存器）中，用戶可通過寫入鎖存器的除數來選擇通信適配器的傳輸速率。

物理層

PC機的非同步串列通信編程方法內容包括DOS、WINDOWS和BIOS級PC通信、基於非同步通信與器的系統的PC通信以及通信編程方法。

PC機一般常有兩個非同步串列埠，分別稱作COM1和COM2，它們都符合RS-232C標準。在DOS操作系統中，COM1、COM2被作為I/O設備進行管理，COM1、COM2便是它們的邏輯設備名。據此，DOS便可通過對COM1、COM2操作實現非同步串列通信。DOS的MODE命令可用以設置非同步串列埠的參數，DOS的COPY命令允許將非同步串列埠作為一個特殊的"文件"，進行數據傳輸。下面舉一個利用DOS的MODE、COPY命令，進行雙機鍵盤輸入字元傳輸的例子。MODE命令的格式如下:

MODE埠名：速率，校驗方式，數據位數，停止位位數

其中埠名為COM1或COM2;傳輸速率可選110、150、300、600、1200、2400、4800或9600bps;校驗方式為E（偶校驗）、（奇校驗）或N（無校驗）;數據位數為7或8位；停止位位數為1或2位。通信雙方設置的參數應一致，如雙方都打入如下命令:MODECOM1:1200，E，7，1則表示雙方以COM1為非同步通信埠以1200bps、偶校、7位數據位、1位停止位的設置參數進行通信。DOS中有一標準控制台COM，實際上作輸入時CON即鍵盤，作輸出時CON即顯示器。

準備發送的PC機執行如下命令:COPYCON:COOM1:表示將從鍵盤收到的信息通過COM1串列口發送。

準備接收的PC機執行如下命令:COPYCOM1:CON:則表示將接收來自COM1串列口信息，並在顯示器上顯示。

兩台PC機分別執行完上述命令后，在發送方鍵盤上輸入的字元便會在接收方顯示器上顯示出來。上面介紹的是用DOS的MODE、COPPPY命令實現的最簡單的PC通信。在MS-DOS的高版本中（例如MS-DOSV6.0）還提供了一條命令，叫作INTERLNK，實際上它是一個通信程序。使用INTERLNK命令和一根連接兩台PC機串列埠的電纜，可以使一台PC機從另一台PC機的磁碟驅動器中存取數據並運行程序，無需再使用軟盤去拷貝文件。用以鍵入命令的PC機叫客戶機（Client），與客戶機相連的PC機叫伺服器（Server）。客戶機使用伺服器的驅動器和印表機，伺服器顯示兩台PC機的連機狀態。

當兩台PC機被INTERLNK連接以後，伺服器上的驅動器便以擴驅動器的形式映象到客戶機上，若兩台PC機原來均有A、B、C三個驅動器，則連接后客戶機除了自身的三個驅動器外，又多了E、F、G（伺服器驅動器映象）三個擴展驅動器，客戶機可以象使用自己的驅動器一樣使用這些擴展驅動器。使用INTERLNK時，每台PC機上至少要有一個空閑的串列口，還要一根3號線或7號線的零數據機（NullMODEM）串列電纜線，客戶機上至少有16K空閑內存，伺服器上至少有130K空閑內存。

在客戶機的CONFIG系統配置文件.SYS中添加如下命令：devive=c：\dos\interlnk.exe/drives：5

再重新啟動客戶機，便可裝入INTERLNK。這裡假設interlnk.exe存於客戶機C驅動器的DOS子目錄中，/drives:5參數用於映象5個伺服器驅動器，預設情況下為3個驅動器。伺服器上啟動INTERLNK不需要其CONFIG.SYS作任何改動，只需在DOS命令提示符下鍵入intersvr即可。此時，屏幕底部出現一行狀態信息，顯示INTERLNK的連接狀態。

MicrosoftWindows的應用程序Terminal允許用戶PC機與其它計算機連接並交換數據，也可模擬為將與之交換數據的遠程計算機所要求的終端類型。下面給出一台PC機應用WINDOWS的Terminal從具有連機服務的遠程系統讀取文件的通信過程。

打開終端

↓

使用設置（Settings）菜單設置參數

↓

查閱文件

↓

使用傳輸（Transfers）菜單接收一個文件

↓

與遠程計算機離線

↓

使用phone菜單掛起數據機

↓

使用文件（File）菜單存儲文件

↓

退出終端

在PC機的基本輸入輸出系統（BIOS）中的中斷14H提供了非同步串列埠的服務功能，通過INT14H提供的四種功能，可訪向串列通信埠，實現連機通信。INT14H的串列口功能為:

功能號功能

00通信埠初始化

01向通信埠寫字元

02從通信埠讀字元

03返回通信埠狀態

INT14H的一般調用順序如下：

MOVAH，〈功能號〉

MOVDX，〈埠號〉

（在其它寄存器裝入與功能有關的值）

INT14H

（1）初始化通信埠

用以設置通信埠參數。

調用：AH=00H

AL=初始化參數

DX=埠號（COM1為0，COM2為1）

返回：AH=通信埠狀態

AL=數據機狀態

物理層圖2.23

例。置COM1為9600bps，8位數據位，1位停止位，無奇偶校驗，則調用如下。

MOVAH,0

MOVAL,0E3H

MOVDX,0

INT14H

初始化參數位元組、通信埠狀態位元組及數據機狀態位元組的定義見圖2.23。

(2)向通信埠寫字元

用以向指定埠輸出一字元。

調用：AH=01H

AL=所要輸出的字元

DX=埠號

返回：AH的第7位=0，表示成功，AL內容不變；

AH的第7位=1，表示失敗，AL的0￣6位給出埠狀態。

例。若要向COM1埠寫一ASCII字元“*”，可調用如下。MOVAH,01H

MOVAL,'*'

MOVDX,0

INT14H

(3)從通信埠讀字元

用以從指定埠輸入一字元。

調用：AH=02H

DX=埠號

返回：AH的第7位=1，表示成功，AL=讀入的字元；

AH的第7位=1，表示失敗，AL的0￣6位給出埠狀態。

例。從COM1中讀一字元，假設已有字元自對方PC傳到本地PC。

MOVAH,02H

MOVDX,0

INT14H

(4)取通信埠狀態

用以讀取指定埠狀態。

調用：AH=03H

DX=埠號

返回：AH=埠狀態

AL=數據機狀態

例。從COM1中讀一字元，若該字元末收到便等待。

WAIT:

MOVAH,3;讀埠狀態功能

MOVDX,0;對COM1

INT14H;調用BIOS

ANDAH,1;測試數據是否就緒

JZWAIT;若末就緒，轉回繼續測試

MOVAH,2;就緒則開始讀取

MOVDX,0;對COM1

INT14H;調用BIOS

ANDAH,08EH;檢查有無出差

JCERROR;有錯則轉至ERROR處理

網卡

光纖

CAT-5線

集線器有整波作用。

Repeater加強信號。

串口

並口