第七章--串行口

异步通信和同步通信 异步通信(Asynchronous Communication)
在异步通信中，数据通常是以字符(字节)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，通过传输线 由接收设备一帧一帧地接收。发送端和接收端可以有各自 的时钟来控制数据的发送和接收。 一个字符在异步传送中又称为一帧数据，字符帧也叫数据 帧，由起始位、数据位、奇偶校验位和停止位四部分组成， 如图7-2所示。
例如，波特率为2400b/s的通信系统，若采用图7-2（a） 的字符帧，则字符的实际传送速率为2400／11=218.18帧 /s；若采用图7-2(b)的字符帧，则字符的实际传送速率为 2400/14=171.43帧/s。
串 行 通 信 和 基 础 知 识
串行口的结构
MCS-51串行口结构框图如图7-4所示。 主要由两个物理上独立的串行数据缓冲寄存器SBUF、发送 控制器、接收控制器、输入移位寄存器和输出控制门组成。 两个特殊功能寄存器SCON和PCON用来控制串行口的工作方 式和波特率。 发送缓冲寄存器SBUF只能写，不能读；接收缓冲寄存器 SBUF只能读，不能写。两个缓冲寄存器共用一个地址99H， 可以用读／写指令区分。
7.1串行通信的基础知识
7.2 MCS-51的串行I/O口及控制寄存器
7.3 串行口的工作方式 7.4 波特率的设计 7.5 MCS-51串行口的应用 7.6 MCS-51串行口的多机通信
本章首先介绍串行通信的基本概念，然后重 点讨论MCS-51系列单片机串行口的特点和用法， 要求掌握串行口的概念、 MCS-51串行口的结构、 原理及应用。
在进行通讯时，外界数据是通过引脚RxD(P3.0，串行数据 接收端)和引脚TxD(P3.1，串行数据发送端)与外界进行串 行通信。 输入数据先进入输入移位寄存器，再送入接收SBUF。在此 采用了双缓冲结构。
51 串 行 口 的 结 构
MCS-
串行口控制寄存器SCON
SCON是MCS-51的一个可位寻址的SFR，串行数据通信的 方式选择、接收和发送控制以及串行口的状态标志均由专 用寄存器SCON控制和指示。复位时所有位被清0。SCON 的格式如下：
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同步通信（Synchronous Communication）
同步通信是以一种连续串行传送数据的通信方式，一次通
信只传送一帧信息。
信息帧与异步通信中的字符帧不同，通常含有若干个数据 字符既数据块。它们都是由同步字符、数据字符和校验字
符三部分组成。
同步通信的缺点：要求发送时钟和接收时钟保持严格同步， 故发送时钟除应和发送的波特率保持一致外，还要求把它 同时传送到接收端去。故这种方式对硬件要求较高。
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串行通信的制式
按照数据传送的方向，串行通信可分为3种制式，即单工、 半双工和全双工。 1．单工(Simplex)制式 A端(或B端)固定为发送站，B端(或A端)固定为接收站，数
据只能从A站(或B站)发至B站(或A站)，数据传送是单向的。
因此，只需要一条数据线。如图7-3(a)所示。
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停止位：为逻辑“1”信号，此位位于字符帧末尾，表示 一帧字符信息已发送完毕。停止位可以是1、1.5或2位， 在实际应用中由用户根据需要确定。 异步通信的优点：不需要传送同步脉冲，字符帧的长度也 不受限制，故所需设备简单。
异步通信的缺点：字符帧中因包含有起始位和停止位而降 低了有效数据的传输效率。
串 行 通 信 和 基 础 知 识
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帧格式
起始位：为逻辑“0”信号，位于字符帧开头，占一位， 表示发送端开始发送一帧信息。 数据位：紧跟起始位之后就是数据位。在数据位中，低位 在前(左)，高位在后(右)。
奇偶校验位：此位位于数据位之后，仅占1位，用于对字 符传送作正确性检查。奇偶校验位有3种可能的选择，即 奇、偶或无校验，由用户根据需要选定。
7．RI——接收中断标志。方式0时，接收第8位数据结束时由 硬件置位。其他方式下，接收到停止位的中间位置时置位。 RI在接收一帧字符之后必须由软件清0，准备接收下一帧 数据。RI=1，表示帧接收结束。RI可供软件查询，也可请 求中断。
串 行 口 的 控 制 寄 存 器
电源控制寄存寄存器，地址为87H。 PCON的最高位SMOD是串行口波特率倍增位。当 SMOD=1时波特率加倍，复位时，SMOD=0。PCON的格 式如下：
串 行 口 的 控 制 寄 存 器
中断允许控制寄存器IE（A8H）
IE寄存器各位定义如下：
其中，ES为串行口中断允许控制位，ES=1允许RI／T1中 断。ES=0，禁止RI／TI中断。
串 行 口 的 控 制 寄 存 器
中断优先级寄存器IP（B8H）
IP寄存器各位定义如下：
其中，PS为串行口中断优先级控制位，该位为“1”，串行 口设定为高优先级。
串 行 口 的 工 作 方 式
串行口方式2和串行口方式3
串行口工作在方式2、3时，为11位异步通信口，发送、接 收一帧信息由11位组成，即1位起始位(0)、数据8位(低位 在前)、1位可编程位(第9数据位)和1位停止位(1)。发送时， 可编程位(TB8)可设置0或1，该位一般用做效验位；接收 时，可编程位送入SCON中的RB8。
串 行 口 的 工 作 方 式
１．方式0发送 方式0发送时，执行任何一条以SBUF为目的寄存器的指令， 串行口即将8位数据以振荡频率的十二分之一的波特率， 将数据从RxD端串行发送出去。时序如图7-5所示。 ２．方式0接收
方式0接收时，在同时满足REN=1和RI=0的条件下，以读 SBUF寄存器的指令开始。时序如图7-5所示。
教 学 目 的 和 要 求
并行通信与串行通信 并行通信
并行通信是数据的各位同时传送。 特点：传送速度快、效率 高，但有多少数据位就需 多少根数据线，因此传送 成本高，适合近距离传输。 在集成电路芯片的内部、 同一插件板上各部件之间 同一机箱内各插件板之间 的数据传送都是并行的。
三条传输线：一条用于发送，一条用于接收，一条用于信
号地线。如图7-3(c)所示。
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波特率
波特率是指每秒钟传送二进制数码的位数(亦称比特数)， 单位是b／s。 波特率是串行通信的重要指标，用于表征数据传送的速率。 波特率越高，数据传输速度越快。
字符的实际传送速率是指每秒钟内所传字符帧的帧数，与 字符帧格式有关。
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２．半双工(Half Duplex)制式 数据传送是双向的，但任一时刻数据只能是从A站发至B站， 或者从B站发至A站，也就是说只能是一方发送另一方接收。
因此，A、B两站之间只要一条信号线和一条接地线。收发
开关是由软件控制的，通过半双工通信协议进行功能切换。 如图7-3(b)所示。 ３．全双工(Full Duplex)制式 数据传送也是双向的。A、B两站都可以同时发送和接收数 据。因此，工作在全双工制式下的A、B两站之间至少需要
串 行 口 的 控 制 寄 存 器
5．RB8——在方式2、3时，RB8存放接收到的第9位数据。 方式1时，若SM2=0，则RB8存放接收到的停止位；在方 式0时，不使用RB8。
6．TI——发送中断标志位。在方式0时，发送第8位数据结束 时由硬件置位；其他方式在停止位之前置位。TI在发送前 必须由软件清0。TI=1，表示发送帧结束，可供软件查询， 也可请求中断。
方式2和方式3接收 方式2、3接收与方式1类似。时序如图7-7（b）所示。
串 行 口 的 工 作 方 式
波特率的设计 方式0和方式2
在方式0时，每个机器周期发送或接收一位数据，因此波 特率固定为单片机时钟频率的1／12(即fosc／12)，且不受 SMOD的影响。 若晶振频率fosc=12MHz时，则波特率=fosc／12=12MHz／ 12=1Mb/s，即1 μs移位一次。 方式2的波特率取决于PCON中的SMOD之值，当SMOD=0 时，波特率为fOSC的1/64；若SMOD=1时，则波特率为 fOSC的1/32。即： SMOD 2 波特率= f osc
SCON各位功能说明如下。 1．SM0、SMl—— 串行口工作方式选择位。定义如表7-1 所示。
串 行 口 的 控 制 寄 存 器
2．SM2——在方式2和方式3中用于多机通信控制。 3．REN—— 允许接收位。REN=0，禁止接收；REN=1，允 许接收。该位由软件置位或复位。 4．TB8——在方式2、3时，是发送的第9位数据，也可作奇 偶校验位。在多机通信中，TB8位的状态表示主机发送的 是地址还是数据：TB8=0为数据，TB8=1为地址。该位由 软件置位或复位。
51 串 行 口 的 结 构
MCS-
51 串 行 口 的 结 构
MCS-
串行发送时，通过“MOV SBUF，A”写指令，CPU把累加 器A的内容写入发送的SBUF(99H)，再由TxD引脚一位一位 地向外发送；
串行接收时，接收端从RxD一位一位地接收数据，直到收 到一个完整的字符数据后通知CPU，再通过“MOV A， SBUF”读指令，CPU从接收的SBUF(99H)读出数据，送到累 加器A中。发送和接收的过程可以采用中断方式，从而可 以大大提高CPU的效率。
串 行 口 的 工 作 方 式
串 行 口 的 工 作 方 式
串行口方式1
在方式1下，串行口为10位通用异步通信接口。一帧信息 包括1位起始位(0)、8位数据位(低位在前)和1位停止位(1)。 TXD是发送端，RXD是接收端。其传送波特率可调。 方式1发送 串行口以方式1发送时，数据由TXD端输出，任何一条以 SBUF为目的寄存器的指令都启动一次发送，发送条件是 TI=0。方式1的发送时序如图7-6（a）所示。 发送开始时内部SEND信号变为有效电平，随后由TXD端 输出自动加入的起始位，此后每过一个时钟脉冲，由TXD 端输出一个数据位，8位数据发送完后，置位TI。TI置1是 通知CPU可发下一个字符。