第四章 串行口

1MCS-51的串行口1.串行通信的基础知识2.MCS-51系列单片机的串行接口3.串行口的4种工作方式3.1串行口的工作方式03.2串行口的工作方式13.3串行口的工作方式23.4串行口的工作方式34.串行口的编程和应用21串行通信的基础知识计算机与外设的信息交换称为通信。通信的基本方式：并行通信和串行通信。并行通信：指数据的各位同时进行传送。其优点是传送速度快，缺点是数据有多少位，就需要多少根传输线，适合于近距离传输。串行通信：指数据的各位按顺序一位一位传送。其优点是只需一对传输线（如电话线），占用硬件资源少，从而降低了传输成本，特别适用于远距离通信，缺点是传送速度较慢。31.1串行通信的两种基本方式串行通信基本方式：异步通信和同步通信。1、异步通信方式——以“字符”为单位进行传送起始位1位“0”有效用一帧表示一个字符数据位5--8位一个字符包括4个部分奇偶校验位1位 停止位1位、1位半、2位“1”有效图1异步通信的字符格式起始位奇偶校验位DND1D0…停止位4在异步通信时，通信双方必须事先约定。（1）字符格式。双方要事先约定数据位的位数、奇偶校验形式及起始位和停止位的位数。

例如：用ASCⅡ码通信，有效数据为7位，加一个奇偶校验位、一个起始位和一个停止位共10位。当然停止位也可以大于1位。（2）波特率（Baudrate）。波特率就是传送速率，即每秒传送的二进制位数。单位为bit/s或波特。5波特率与字符的传送速率之间的关系为：波特率=

一个字符的二进制编码位数*字符数/秒

要求发送端与接收端的波特率必须一致。假设：数据传送率是120字符/s，每个字符格式包含十个代码位（一个起始位、一个终止位、8个数据位），波特率为：

10×120=1200bit/s=1200波特62．同步通信方式异步通信由于要在每个数据前后附加起始位、停止位，每发送一个字符约有20%的附加数据，占用了传输时间，降低了传送效率。同步通信则去掉每个数据的起始位和停止位，把要发送的数据按顺序连接成一个数据块，在数据块的开头附加1～2个同步字符，在数据块的末尾加差错校验字符。同步通信的数据格式如图2所示。在数据块内部，数据与数据之间没有间隙。同步字符数据1数据2……

数据N校验字符1校验字符2同步字符7要求：发送和接收双方要保持完全同步，所以，要求发送和接收设备必须使用同一时钟。解决办法：（1）对于近距离通信：采用在传输线中增加一根时钟信号线来解决。（2）对于远距离通信：通过解调器从数据流中提取同步信号，用锁相技术实现收、发频率完全相同的时钟信号。如上所述，异步通信技术较为简单，应用范围广；同步通信传输速率高，适用于高速率、大容量的数据通信，但硬件复杂。81.2串行通信的数据传送方式1、单工方式：数据传送是单向的，一端为发送另一端为接收，只需一条数据线。

图3（a）2、半双工方式：数据传送是双向的，A→B，B→A，同一时间只能做一个方向传送，只需一条数据线。

图3（b）3、全双工方式：数据传送是双向的，A、B两端可同时发送，又可同时接收，需两根数据线。

图3（c）ABAB····AB92MCS-51单片机的串行接口10第7章MCS-51的串行口全双工的异步通讯串行口。4种工作方式

,波特率由片内定时器/计数器控制。每发送或接收一帧数据，均可发出中断请求。除用于串行通讯，还可用来扩展并行I/O口。11对于单片机来说，为了进行串行通信，同样也需要有相应的串行接口电路。只不过这个接口电路不是单独的芯片，而是集成在单片机芯片的内部，成为单片机芯片的一个组成部分。MCS-51系列单片机有一个全双工的串行口。2.1MSC-51系列单片机串行口的结构2.2MSC-51系列单片机串行口的控制2.3波特率设计2MCS-51单片机的串行接口121、组成：发送数据缓冲器：只能写入，不能读出接收数据缓冲器：只能读出，不能写入发送控制器输出控制门接收控制器输入移位寄存器两个专用寄存器SCON：存放串行口的控制和状态信息

PCON：改变串行通信波特率

发送缓冲器和接收缓冲器两个用同一符号SBUF，地址99H，用指令判断选哪个

MOVSBUF，A写入；MOVA，SBUF读出2.151系列单片机串行口的结构13发送SBUF（99H）发送控制器接收控制器输入移位寄存器串行控制寄存器（98H）门定时器T1≥1接收SBUF（99H）串行口中断888TXD(P3.1)RXD(P3.0)TIRI内部总线图4串行口结构框图141.串行口控制寄存器SCON字节地址98H，可位寻址，格式如图所示。(1)SM0、SM1—串行口4种工作方式的选择位SM0SM1方式功能说明000

同步移位寄存器方式(用于扩展I/O口)，fosc/120118位异步收发，波特率可变(由定时器控制)1029位异步收发，波特率为fosc/64或fosc/321139位异步收发，波特率可变(由定时器控制)(2)SM2—多机通信控制位

用于方式2或方式3中。当串行口以方式2或方式3接收时： 如果SM2=1，只有当接收到的第9位数据(RB8)为“1”时，才将接收到的前8位数据送入SBUF，并将RI置“1”，产生中断请求;当接收到的第9位数据(RB8)为“0”时，则将接收到的前8位数据丢弃。

如果SM2=0，则不论第9位数据是“1”还是“0”，都将前8位数据送入SBUF中，并将RI置“1”，产生中断请求。 在方式1时，如果SM2=1，则只有收到停止位时才会激活RI。 在方式0时，SM2必须为0。(3)REN—允许串行接收位

由软件置“1”或清“0”。

REN=1

允许串行口接收数据。

REN=0禁止串行口接收数据。

(4)TB8—发送的第9位数据 方式2和3时，TB8是要发送的第9位数据，可作为奇偶校验位使用，也可作为地址帧或数据帧的标志。

TB8=1为地址帧,TB8=0为数据帧。(5)RB8—接收到的第9位数据 方式2和3时，RB8存放接收到的第9位数据。在方式1，如果SM2=0，RB8是接收到的停止位。在方式0，不使用RB8。(6)TI——发送中断标志位 方式0时，串行发送第8位数据结束时由硬件置“1”。 其它工作方式，串行口发送停止位的开始时置“1”。TI=1，表示一帧数据发送结束，可供软件查询，也可申请中断。CPU响应中断后,在中断服务程序中向SBUF写入要发送的下一帧数据。TI必须由软件清0。(7)RI——接收中断标志位 方式0时，接收完第8位数据时，RI由硬件置1。 其它工作方式，串行接收到停止位时，该位置“1”。RI=1，表示一帧数据接收完毕，并申请中断,要求CPU从接收SBUF取走数据。该位的状态也可供软件查询。RI必须由软件清“0”。2.2MCS-51单片机串行口的控制152.特殊功能寄存器PCON字节地址为87H，没有位寻址功能。

SMOD:波特率选择位。 例如:方式1的波特率的计算公式为:

方式1波特率=(2SMOD/32)×定时器T1的溢出率

当SMOD=1时，要比SMOD=0时的波特率加倍，也称SMOD位为波特率倍增位。2.2MCS-51单片机串行口的控制162.3波特率的设计

方式0和方式2的波特率是固定的;方式1和方式3波特率可由定时器T1的溢出率来确定。

1.波特率的定义

定义:

串行口每秒钟发送(或接收)二进制数据的位数称为波特率。

对于定时器的不同工作方式，得到的波特率的范围不一样，因为，计数位数的不同。172.3波特率的设计(1)方式0:波特率固定:每个机器周期产生一个移位时钟，可发送或接收一位数据,且不受SMOD位的影响。即

方式0的波特率=fosc/12

若fosc=12MHz，波特率为fosc/12即1Mb/s。(2)方式2，由系统的振荡频率fosc和SMOD共同确定。

方式2的波特率=(2SMOD/64)×fosc

若fosc=12MHz:SMOD=0

波特率=185kb/s;

SMOD=1

波特率=375kb/s18(3)串行口工作在方式1或方式3时，常用定时器T1作为波特率发生器，此时移位时钟由定时器T1的溢出率决定，故波特率由T1的溢出率与SMOD值共同决定:

波特率=(2SMOD/32)×T1的溢出率 实际设定波特率时，T1常设置为方式2定时(自动装初值)。这种方式不仅操作方便，也可避免因软件重装初值而带来的定时误差。2.3波特率的设计19定时器T1工作在方式2时，若计数初值为X，则每经过“256－X”个机器周期。定时器T1就会产生一次溢出；溢出周期为：

（256－X）溢出率为溢出周期的倒数，所以

波特率=此时，定时器T1工作在方式2时的初值应为：

X=（256－）12fosc2SMOD32fosc12（256-X）fosc（SMOD+1）384·波特率2.3波特率的设计20例1已知51系列单片机系统晶振频率为11.0592MHz，选用定时器T1工作方式2做波特率发生器，波特率为2400波特，PCON=0FH,求初值X。解：设波特率选择位SMOD=0，则有：

X=256－11.0592*106(0+1)/(384*2400)=244=F4H

所以，（TH1）=（TL1）=F4H。系统晶振频率选为11.0592MHz是为了使初值为整数，从而产生精确的波特率。2.3波特率的设计213串行口的4种工作方式223串行口的4种工作方式3.1方式0

SM0、SM1=00。同步移位寄存器输入输出方式，常用于外接移位寄存器，以扩展并行I/O口。

RXD引脚——串行输入/输出

TXD引脚——输出同步移位脉冲

8位数据为一帧，不设起始位和停止位，先发送或接收最低位。波特率固定为fosc/12。帧格式如下:233.1方式01.方式0发送

当CPU执行一条将数据写入发送缓冲器SBUF的指令时，产生一个正脉冲，串行口即把SBUF中的8位数据以fosc/12的固定波特率从RXD引脚串行输出，低位在先,TXD引脚输出同步移位脉冲，发送完8位数据置“1”中断标志位TI。时序如图所示。MOVSBUF,A242.方式0接收

方式0接收时，REN为串行口接收允许接收控制位，REN=0，禁止接收。REN=1，允许接收。当CPU向串行口的SCON寄存器写入控制字(置为方式0，并置“1”REN位，同时RI=0)时，产生一个正脉冲，串行口即开始接收数据。

引脚RXD为数据输入端，TXD为移位脉冲信号输出端，接收器也以fosc/12的固定波特率采样RXD引脚的数据信息，当接收到8位数据时置“1”中断标志RI。表示一帧数据接收完毕，可进行下一帧数据的接收。时序如下图:3.1方式025

方式0下，SCON中的TB8、RB8位没有用到，发送或接收完8位数据由硬件将中断标志位TI或RI置“1”，CPU响应中断。TI或RI标志位须由用户软件清“0”，可采用如下指令:

CLRTI ;TI位清“0” CLRRI ;RI位清“0”

方式0时，SM2位(多机通讯控制位)必须为0。3.1方式0263.2方式1 SM0、SM1=01，8位异步收发通信。用于数据的串行发送和接收。TXD脚和RXD脚分别用于发送和接收数据。 方式1收发一帧的数据为10位，1个起始位(0)，8个数据位，1个停止位(1)，先发送或接收最低位。帧格式如图所示。波特率由下式确定:方式1波特率=(2SMOD/32)×定时器T1溢出率

SMOD为PCON寄存器的最高位的值(0或1)。

271.方式1发送

方式1输出时，数据位由TXD端输出，

当CPU执行一条数据写发送缓冲器SBUF的指令，就启动发送。图中TX时钟的频率就是发送的波特率。发送开始时，内部发送控制信号变SEND*变为有效，将起始位向TXD输出。 此后，每经过一个TX时钟周期，便产生一个移位脉冲，并由TXD输出一个数据位。8位数据位全部发送完毕后，置“1”中断标志位TI，然后SEND*信号失效。3.2方式1282.方式1接收

前提REN=1；数据从RXD(P3.0)引脚输入。当检测到起始位的负跳变时，则开始接收。 定时控制信号有两种(如图所示)，一种是接收移位时钟(RX时钟)，它的频率和传送的波特率相同。另一种是位检测器采样脉冲，它的频率是RX时钟的16倍。也就是在1位数据期间，有16个采样脉冲，以波特率的16倍的速率采样RXD引脚状态，当采样到RXD端从1到0的跳变时就启动检测器，采用三中取二的原则，接收的值是3次连续采样(第7、8、9个脉冲时采样)

取其中两次相同的值，以确认是否是真正的起始位(负跳变)的开始。3.2方式129

当一帧数据接收完毕以后，必须同时满足以下两个条件，这次接收才真正有效。⑴RI=0，即上一帧数据接收完成时，RI=1发出的中断请求已被响应，SBUF中的数据已被取走，说明“接收SBUF”已空。⑵SM2=0或收到的停止位=1(方式1时，停止位已进入RB8)，则收到的数据装入SBUF和RB8(RB8装入停止位)，且置“1”中断标志RI。 若这两个条件不同时满足，收到的数据不能装入SBUF，该帧数据将丢失。3.2方式1303.3方式2 9位异步通信接口。每帧数据均为11位，1位起始位0，8位数据位(先低位)，1位可程控的第9位数据和1位停止位。帧格式见下图。方式2的波特率由下式确定:方式2波特率=(2SMOD/64)×fosc

311.方式2发送 发送前，先根据通讯协议由软件设置TB8(例如，双机通讯时的奇偶校验位或多机通讯时的地址/数据的标志位)。 方式2发送数据波形如图所示。3.3方式2TB8322.方式2接收

SM0、SM1=10，且REN=1。数据由RXD端输入，接收11位信息。当位检测逻辑采样到RXD引脚从1到0的负跳变，并判断起始位有效后，便开始接收一帧信息。在接收器完第9位数据后，需满足以下两个条件，才能将接收到的数据送入SBUF。

(1)RI=0，意味着接收缓冲器为空。

(2)SM2=0或接收到的第9位数据位RB8=1时。 当上述两个条件满足时，接收到的数据送入SBUF(接收缓冲器)，第9位数据送入RB8，并置“1”RI。若不满足这两个条件，接收的信息将被丢弃。3.3方式233

串行口方式2接收数据的时序波形如图所示。3.3方式2343.4方式3

当SM0、SM1=11，串行口工作在方式3。方式3为波特率可变的9位异步通讯方式，除波特率外，方式3和方式2相同。方式3发送和接收数据的时序波形见方式2的图。

方式3的波特率由下式确定:

方式3波特率=(2SMOD/32)×定时器T1的溢出率课堂测试1.串行口是单片机的（）。内部资源外部资源输入设备输出设备课堂测试2.MCS－51单片机的串行口是（）。单工全双工半双工并行口课堂测试3.表征特性数据传输速度的指标为（）。

USARTUART

字符帧波特率课堂测试7.串行口工作在方式0时，串行数据从（）输入或输出。

RITXDRXDREN课堂测试8.串行口的控制寄存器为(

)。

SMODSCONSBUFPCON课堂测试9.当采用中断方式进行串行数据的发送时，发送完一帧数据后,TI标志要（）。自动清0

硬件清0

软件清0

软硬件均可课堂测试10.串行口的方式1为（）位帧结构。

8101113课堂测试11.当采用定时器1作为串行口波特率发生器使用时，通常定时器工作在方式（）.

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