第五節 串行接口

中央處理器CPU和外界的信息交換稱為通信。通常有并行和串行兩種通信方式，數據的各位同時傳送的稱為并行通信，數據一位一位串行地順序傳送的稱為串行通信。

并行通信通過并行接口來實現，如MCS51的P1口就是并行接口。串行通信通過串行口來實現，MCS 51有一個全雙工的異步串行接口可以用于串行數據通信。

一、串行接口的組成和特性

MCS-51的串行口是一個全雙工的異步串行通信接口，可以同時發送和接收數據。串行口的內部有數據接收緩沖器和數據發送緩沖器。數據接收緩沖器只能讀出不能寫入，數據發送緩沖器只能寫入不能讀出，這兩個數據緩沖器都用符號SBUF來表示，地址都是99H。CPU對特殊功能寄存器SBUF執行寫操作，就是將數據寫入發送緩沖器；對SBUF讀操作，就是讀出接收緩沖器的內容。

特殊功能寄存器SCON存放串行口的控制和狀態信息，串行口用定時器T1或T2（8052）作為波特率發生器，特殊功能寄存器PCON的最高位SMOD為串行口波特率的倍率控制位。

1.串行口控制寄存器SCON

串行口控制寄存器SCON是一個特殊功能寄存器，地址為98H，具有位尋址功能。其格式如下：

SM0

SM1

SM2

REN

TB8

RB8

TI

RI

SM0、SM1：串行口的方式選擇位。功能如表2-10所示。

表2-10

串行口四種工作方式

SM2：允許方式2和3的多機通信控制位。對于方式2或3，如SM2置為1，則接收到的第9位數據（RB8）為0時不激活RI。對于方式1，如SM2=1，則只有接收到有效的停止位時才會激活RI。對于方式0，SM2應該為0。

REN：允許串行接收位。由軟件置位“1”以允許接收。由軟件清“0”來禁止接收。TB8：對于方式2和3，是發送的第9位數據。需要時由軟件置位或復位。

RB8：對于方式2和3，是接收到的第9位數據。對于方式1，如SM2=0，RB8是接收到的停止位。對于方式0，不使用RB8。

TI：發送中斷標志。由硬件在方式0串行發送第8位結束時置位，或在其他方式串行發送停止位的開始時置位。必須由軟件清“0”。

RI：接收中斷標志。由硬件在方式0接收到第8位結束時置位，或在其他方式接收到停止位的中間時置位。必須由軟件清“0”。

2.電源控制寄存器PCON

電源控制寄存器PCON格式如下：

SMOD

—

—

—

GF1

GF0

PD

IDL

PCON的最高位是串行口波特率系數控制位SMOD，當SMOD為1時使波特率加倍。PCON的其他位為節電方式控制位（CHMOS器件有效，詳見節電方式一節）。

二、串行接口的工作方式

MCS-51串行接口具有四種工作方式，我們主要從應用的角度討論各種工作方式的功能特性和工作原理。

1.方式0

方式0是外接移位寄存器的工作方式，用以擴展I/O接口。輸出時將發送數據緩沖器中的內容串行地移到外部的移位寄存器，輸入時將外部移位寄存器內容移入內部的輸入移位寄存器，然后寫入內部的接收數據緩沖器。

在以方式0工作時數據由RXD串行地輸入/輸出，TXD輸出移位脈沖，使外部的移位寄存器移位。波特率固定為振蕩器頻率的1/12。方式0時串行口簡化的邏輯結構框圖如

圖2-17所示。

圖2-17 串行口方式0結構

（1）方式0輸出。CPU對發送數據緩沖器SBUF寫入一個數據，就啟動串行口發送，發送的時序如圖2-18所示。

發送時，發送指令“寫SBUF”打開三態門1，這樣經內部總線送來的8位并行數據就可以寫入發送數據緩沖器SBUF。寫信號同時啟動發送控制器。經一個機器周期，發送控制端SEND有效，打開門5和門6，允許RXD引腳向外發送數據，同時TXD引腳輸出同步移位脈沖。在由時鐘信號觸發產生的內部移位脈沖作用下，發送數據緩沖器SBUF中待發送的數據逐位串行輸出。因為每一個機器周期只能發送一位數據，故波特率為fosc/12。外部時鐘信號同時在TXD上產生同步移位脈沖，每一個機器周期從TXD上輸出一個同步移位脈沖。一幀（8位）數據發送完畢，SEND恢復低電平，停止發送。且發送控制器硬件置發送中斷標志TI=1。這時如果允許發送中斷，則進入發送中斷處理程序。如果圖2-18 串行口方式0的發送時序

要再次發送數據，則必須在發送前用軟件清TI為0。

（2）方式0輸入。當RI=0時，將REN置1就啟動了接收。此時RXD為串行數據接收端，TXD依然輸出同步移位脈沖。方式0的接收時序如圖2-19所示。

圖2-19 串行口方式0的接收時序

接收過程啟動后，經過一個機器周期，接收控制端RECV有效，打開門6，允許TXD輸出同步移位脈沖。在同步移位脈沖的控制下，外設逐位的向單片機輸送數據。因為仍然是一個機器周期輸送一位數據，故波特率也不變，仍為fosc/12。在內部移位脈沖控制下，RXD上外設傳入的串行數據逐位移入移位寄存器。當一幀（8位）數據全部移入移位寄存器后，接收控制器使RECV失效，停止輸出移位脈沖，發出“裝載SBUF”信號，打開三態門2，將8位串行數據并行送入接收緩沖器SBUF。同時，接收控制器硬件將RI置1，向CPU申請中斷。如果CPU允許串行口接收中斷，則響應中斷。一般來說，在接收中斷處理程序中至少要做兩件事，一是將RI清零，以備接收下一幀數據；二是將SBUF中接收到的數據移出。在執行讀取SBUF指令后，CPU發出“讀SBUF”信號，打開三態門3，數據經內部總線進入CPU。

2.方式1

串行口定義為方式1時，它是一個8位異步串行通信口，TXD為數據輸出線，RXD為數據輸入線。傳送一幀信息的數據為10位：1位起始位，8位數據位（先低位后高位），1位停止位。方式1的波特率由定時器T1或T2（8052）的溢出率確定。方式1時串行口簡化的邏輯結構框圖如圖220所示。

圖2-20 串行口方式1、2、3的結構

（1）方式1輸出。CPU執行一條寫SBUF指令后便啟動了串行口發送，其輸入時序如

圖2-21（a）所示。

圖2-21 串行口方式1的時序

在指令執行期間，CPU送來“寫SBUF”信號，將并行數據送入SBUF，并啟動發送控制器，經一個機器周期，發送控制器的SEND、DATA相繼有效，通過輸出控制門從TXD上逐位輸出一幀信號。一幀信號發送完畢后，SEND、DATA失效，發送控制器硬件置發送中斷標志TI=1，向CPU申請中斷。

（2）方式1輸入。輸入的時序如圖2-21（b）所示。當允許接收標志REN=1時，接收器便以用戶所設波特率的16倍速率采樣RXD腳狀態。在采樣信號的負跳變時啟動接收控制器接收數據。為了避免通信雙方波特率微小不同的誤差影響，接收控制器將一位數據的傳送時間等分為16份，并在第7、8、9三個狀態由位檢測器采樣RXD三次，取三次采樣中至少兩次相同的值作為數據。這樣可以大大減少干擾影響，保證通信準確無誤。

如果接收到的起始位不為0，則起始位無效，復位接收電路，重新開始接收。接收到起始位0后，開始接收本幀數據，當8位數據和停止位都接收完畢后，如果RI=1，則接收的數據將會丟失。如果RI=0，并且SM2=0或停止位為1，則表示接收數據有效，開

始裝載SBUF，8位有效數據送入SBUF，停止位送入RB8，同時硬件置RI=1，向CPU

申請中斷，TI必須由用戶用軟件清0。無論數據接收有效無效，接收控制器將再次采樣RXD引腳的負跳變，以接收下一幀信息。

3.方式2和方式3

串行口工作在方式2時為9位異步串行通信口。方式2與方式1不同的是，它的數據是9位的，即它的一幀包括11位，1個開始位，9個數據位和1個停止位。其中第9位（即D8）數據是可由用戶編程的，可用來作奇偶校驗，也可用來作地址數據標志位。

當SM0=1、SM1=1時，串行口工作在方式3。方式3與方式2極其接近，它們之間唯一的差別在于波特率不同。方式2是波特率固定的，而方式3的波特率是可變的。

方式2和方式3的發送和接收與方式1相似，只是發送時將SCON寄存器中的TB8取出，作為第9位數據發送；接收時，若接收有效，則將接收到的第9位數據送到SCON

的RB8保存。

方式2和方式3多用于多機通信。三、波特率

1.方式0波特率

串行口方式0的波特率由振蕩器的頻率所確定：方式0波特率=振蕩器頻率/12

2.方式2波特率

串行口方式2的波特率由振蕩器的頻率和SMOD（PCON.7）所確定：

方式2波特率=2^SMOD×振蕩器頻率/64

3.方式1和方式3的波特率

串行口方式1和方式3的波特率由定時器T1或T2（8052等單片機）的溢出率和SMOD所確定。T1和T2是可編程的，可以選的波特率范圍比較大，因此串行口方式1和3是最常用的工作方式。

（1）用定時器T1產生波特率。當定時器T1作為串行口的波特率發生器時，串行口方式1和3的波特率由下式確定：

方式1和3波特率=2^SMOD×（T1溢出率）/32

定時器T1作波特率發生器時，應禁止T1中斷。通常T1工作于定時方式（C/T=0），計數脈沖為振蕩器的十二分頻信號。也可以選擇外部T1（P3.5）上的輸入脈沖作為T1計數信號（C/T=1）。T1的溢出率又和它的工作方式有關，一般選方式2定時，此時波特率的計算公式為：

方式1和方式3波特率=2^SMOD×振蕩器頻率/﹛32×12[256（TH1）]﹜

（2）用定時器T2產生波特率。8052等單片機內的定時器T2也可以作為串行口的波特率發生器，置位T2CON中的TCLK或RCLK位，T2就工作于串行口的波特率發生器方式。這時T2的邏輯結構框圖如圖2-22所示。

圖2-22 T2波特率發生器方式結構

T2的波特率發生器方式和計數初值常數自動再裝入方式相似，若C/T2=0，以振蕩器的二分頻信號作為T2的計數脈沖，C/T2=1時，計數脈沖是外部引腳T2（P1.0）上的輸入信號。T2作為波特率發生器時，當TH2計數溢出時，將RCAP2H和RCAP2L中常數自動裝入TH2、TL2，使T2從這個初值開始計數，但是并不置“1”TF2，RCAP2H和RCAP2L中的常數由軟件設定后，T2的溢出率是嚴格不變的，因而使串行口方式1和3的波特率非常穩定，其值為：

方式1和3波特率=振蕩器頻率/32［65536-（RCAP2H）（RCAP2L）］

T2工作于波特率發生器方式時，計數溢出時不會置“1”TF2，不向CPU請求中斷，

因此可以不必禁止T2的中斷。如果EXEN2為1，當T2EX（P1.1）上輸入電平發生“1”至“0”的負跳變時，也不會引起RCAP2H和RCAP2L中的常數裝入TH2、TL2，僅僅

置位EXF2，向CPU請求中斷，因此T2EX可以作為一個外部中斷源使用。

在T2計數過程中（TR2=1）不應該對TH2、TL2進行讀/寫。如果讀，則讀出結果不會精確（因為每個狀態加1）；如果寫，則會影響T2的溢出率使波特率不穩定。在T2的計數過程中可以對RCAP2H和RCAP2L進行讀但不能寫，如果寫也將使波特率不穩

定。因此，在初始化中，應先對TH2、TL2、RCAP2H、RCAP2L初始化編程以后才置“1”TR2，啟動T2計數。