單片機(jī)原理：7-1-2串行口結(jié)構(gòu)和工作方式

第7章

AT89S51單片機(jī)的

串行口1內(nèi)容概要串行口的基本工作原理與串行口有關(guān)的特殊功能寄存器串行口的4種工作方式串行口多機(jī)通信的工作原理雙機(jī)串行通信的軟件編程。串行口為全雙工的通用異步收發(fā)（UART）。全雙工就是兩個單片機(jī)之間串行數(shù)據(jù)可同時雙向傳輸。異步通信，就是收、發(fā)雙方使用各自的時鐘控制發(fā)送和接收過程，這樣可省去收、發(fā)雙方的一條同步時鐘信號線，連接簡單且易實現(xiàn)。27.1串行口的結(jié)構(gòu)內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖7-1所示。有兩個物理上獨立的接收、發(fā)送緩沖器SBUF（屬于特殊功能寄存器），可同時發(fā)送、接收數(shù)據(jù)。發(fā)送緩沖器只能寫入不能讀出接收緩沖器只能讀出不能寫入兩個緩沖器共用一個特殊功能寄存器字節(jié)地址（99H）?？刂萍拇嫫鞴灿袃蓚€：特殊功能寄存器SCON和PCON。3

圖7-1

串行口的內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖47.1.1串行口控制寄存器SCON字節(jié)地址98H，可位尋址，位地址為98H～9FH。格式如圖7-2所示。

圖7-2串行口控制寄存器SCON的格式介紹SCON中各位的功能。（1）SM0、SM1——串行口4種工作方式選擇位SM0、SM1兩位編碼所對應(yīng)的4種工作方式見表7-1。5（2）SM2——多機(jī)通信控制位多機(jī)通信是在方式2和方式3下進(jìn)行。當(dāng)串口以方式2或方式3接收時，如果SM2

=

1，則只有當(dāng)接收到的第9位數(shù)據(jù)（RB8）為“1”時，才使RI置“1”，產(chǎn)生中斷請求，并將接收到的前8位數(shù)據(jù)送入SBUF。當(dāng)接收到的第9位數(shù)據(jù)（RB8）為“0”時，則將接收到的前8位數(shù)據(jù)丟棄。6當(dāng)SM2

=

0時，則不論第9位數(shù)據(jù)是1還是0，都將前8位數(shù)據(jù)送入SBUF中，并使RI置1，產(chǎn)生中斷請求。在方式1時，如果SM2

=

1，則只有收到有效的停止位時才會激活RI。在方式0時，SM2必須為0。（3）REN——允許串行接收位。由軟件置“1”或清“0”。REN=1，允許串行口接收數(shù)據(jù)。REN=0，禁止串行口接收數(shù)據(jù)。7（4）TB8——發(fā)送的第9位數(shù)據(jù)方式2和方式3，TB8是要發(fā)送的第9位數(shù)據(jù)，其值由軟件置“1”或清“0”。在雙機(jī)串行通信時，一般作為奇偶校驗位使用；在多機(jī)串行通信中用來表示主機(jī)發(fā)送的是地址幀還是數(shù)據(jù)幀，TB8=1為地址幀，TB8=0為數(shù)據(jù)幀。（5）RB8——接收的第9位數(shù)據(jù)方式2和方式3，RB8存放接收到的第9位數(shù)據(jù)。在方式1，如SM2

=

0，RB8是接收到的停止位。在方式0，不使用RB8。（6）TI——發(fā)送中斷標(biāo)志位方式0，串行發(fā)送的第8位數(shù)據(jù)結(jié)束時TI由硬件置“1”，在其他方式中，串行口發(fā)送停止位的開始時置TI為“1”。8TI

=1，表示一幀數(shù)據(jù)發(fā)送結(jié)束。TI的狀態(tài)可供軟件查詢，也可申請中斷。CPU響應(yīng)中斷后，在中斷服務(wù)程序中向SBUF寫入要發(fā)送的下一幀數(shù)據(jù)。TI必須由軟件清“0”。（7）RI——接收中斷標(biāo)志位方式0時，接收完第8位數(shù)據(jù)時，RI由硬件置“1”。在其他工作方式中，串行接收到停止位時，該位置“1”。RI

=

1，表示一幀數(shù)據(jù)接收完畢，并申請中斷，要求CPU從接收SBUF取走數(shù)據(jù)。該位的狀態(tài)也可供軟件查詢。RI必須由軟件清“0”。9SCON的所有位都可進(jìn)行位操作清“0”或置“1”。7.1.2特殊功能寄存器PCON字節(jié)地址為87H，不能位尋址。格式如圖7-3所示。

10圖7-3

特殊功能寄存器PCON的格式下面介紹PCON中各位功能。僅最高位SMOD與串口有關(guān)，其他各位的功能已在第2章的節(jié)電工作方式一節(jié)中作過介紹。SMOD：波特率選擇位。例如，方式1的波特率計算公式為

方式1波特率

=

定時器T1的溢出率當(dāng)SMOD

=

1時，要比SMOD

=

0時的波特率加倍，所以也稱SMOD位為波特率倍增位。117.2串行口的4種工作方式4種工作方式由特殊功能寄存器SCON中SM0、SM1位定義，編碼見表7-1。7.2.1方式0方式0為同步移位寄存器輸入/輸出方式。該方式并不用于兩個AT89S51單片機(jī)之間的異步串行通信，而是用于串行口外接移位寄存器，擴(kuò)展并行I/O口。8位數(shù)據(jù)為一幀，無起始位和停止位，先發(fā)送或接收最低位。波特率固定，為fosc/12。幀格式如圖7-4所示。圖7-4

方式0的幀格式121．方式0發(fā)送（1）方式0發(fā)送過程當(dāng)CPU執(zhí)行一條將數(shù)據(jù)寫入發(fā)送緩沖器SBUF的指令時，產(chǎn)生一個正脈沖，串行口開始把SBUF中的8位數(shù)據(jù)以fosc/12的固定波特率從RXD引腳串行輸出，低位在先，TXD引腳輸出同步移位脈沖，發(fā)送完8位數(shù)據(jù)，中斷標(biāo)志位TI置“1”。發(fā)送時序如圖7-5所示。1314圖7-5

方式0發(fā)送時序如：MOVSBUF,A（2）方式0發(fā)送應(yīng)用舉例圖7-6所示為方式0發(fā)送的一個具體應(yīng)用，通過串行口外接8位串行輸入并行輸出移位寄存器74LS164，擴(kuò)展兩個8位并行輸出口的具體電路。方式0發(fā)送時，串行數(shù)據(jù)由P3.0（RXD端）送出，移位脈沖由P3.1（TXD端）送出。在移位脈沖的作用下，串行口發(fā)送緩沖器的數(shù)據(jù)逐位地從P3.0串行移入74LS164中。15圖7-6

外接串入并出移位寄存器74LS164擴(kuò)展的并行輸出口162．方式0接收（1）方式0接收過程 方式0接收，REN為串行口允許接收控制位，REN=0，禁止接收；REN

=

1，允許接收。 當(dāng)向SCON寄存器寫入控制字（設(shè)置為方式0，并使REN位置1，同時RI

=

0）時，產(chǎn)生一個正脈沖，串行口開始接收數(shù)據(jù)。 引腳RXD為數(shù)據(jù)輸入端，TXD為移位脈沖信號輸出端，接收器以fosc/12的固定波特率采樣RXD引腳的數(shù)據(jù)信息，當(dāng)接收完8位數(shù)據(jù)時，中斷標(biāo)志RI置1，表示一幀數(shù)據(jù)接收完畢，可進(jìn)行下一幀數(shù)據(jù)的接收，時序如圖7-7所示。17圖7-7方式0接收時序18REN位（2）方式0接收應(yīng)用舉例圖7-8為串行口外接兩片8位并行輸入串行輸出的寄存器74LS165擴(kuò)展兩個8位并行輸入口的電路。當(dāng)74LS165的S/端由高到低跳變時，并行輸入端的數(shù)據(jù)被置入寄存器；當(dāng)S/=

1，且時鐘禁止端（第15腳）為低電平時，允許TXD（P3.1）串行移位脈沖輸入，這時在移位脈沖作用下，數(shù)據(jù)由右向左方向移動，以串行方式進(jìn)入串行口的接收緩沖器中。19

20圖7-8

擴(kuò)展74LS165作為并行輸入口在圖7-8中：TXD（P3.1）作為移位脈沖輸出與所有75LS165的移位脈沖輸入端CP相連；RXD（P3.0）作為串行數(shù)據(jù)輸入端與74LS165的串行輸出端QH相連；P1.0與S/相連，用來控制74LS165的串行移位或并行輸入；74LS165的時鐘禁止端（第15腳）接地，表示允許時鐘輸入。當(dāng)擴(kuò)展多個8位輸入口時，相鄰兩芯片的首尾（QH與SIN）相連。21在方式0，SCON中的TB8、RB8位沒有用到，發(fā)送或接收完8位數(shù)據(jù)由硬件使TI或RI中斷標(biāo)志位置“1”，CPU響應(yīng)TI或RI中斷，在中斷服務(wù)程序中向發(fā)送SBUF中送入下一個要發(fā)送的數(shù)據(jù)或從接收SBUF中把接收到的1B存入內(nèi)部RAM中。注意，TI或RI標(biāo)志位必須由軟件清“0”，采用如下指令： CLR TI ；TI位清“0” CLR RI ；RI位清“0”方式0時，SM2位（多機(jī)通信控制位）必須為0。227.2.2方式1方式1為雙機(jī)串行通信方式，如圖7-9所示。當(dāng)SM0、SM1=01時，串行口設(shè)為方式1的雙機(jī)串行通信。TXD腳和RXD腳分別用于發(fā)送和接收數(shù)據(jù)。

圖7-9

方式1雙機(jī)串行通信的連接電路23方式1一幀數(shù)據(jù)為10位，1個起始位（0），8個數(shù)據(jù)位，1個停止位（1），先發(fā)送或接收最低位。幀格式如圖7-10所示。

圖7-10方式1的幀格式方式1為波特率可變的8位異步通信接口。波特率由下式確定：

方式1波特率

=

定時器T1的溢出率式中，SMOD為PCON寄存器的最高位的值（0或1）。241．方式1發(fā)送方式1輸出時，數(shù)據(jù)位由TXD端輸出，發(fā)送一幀信息為10位：1位起始位0，8位數(shù)據(jù)位（先低位）和1位停止位1。當(dāng)CPU執(zhí)行一條數(shù)據(jù)寫SBUF的指令，就啟動發(fā)送。發(fā)送時序見圖7-11。圖7-11中TX時鐘的頻率就是發(fā)送的波特率。發(fā)送開始時，內(nèi)部發(fā)送控制信號

變?yōu)橛行?，將起始位向TXD腳（P3.1）輸出，此后每經(jīng)過一個TX時鐘周期，便產(chǎn)生一個移位脈沖，并由TXD引腳輸出一個數(shù)據(jù)位。8位數(shù)據(jù)位全部發(fā)送完畢后，中斷標(biāo)志位TI置1。25

圖7-11

方式1發(fā)送時序262．方式1接收方式1接收時（REN

=

1），數(shù)據(jù)從RXD（P3.0）引腳輸入。當(dāng)檢測到起始位的負(fù)跳變，則開始接收。接收時序見圖7-12。接收時，定時控制信號有兩種，一種是接收移位時鐘（RX時鐘），它的頻率和傳送的波特率相同，另一種是位檢測器采樣脈沖，頻率是RX時鐘的16倍。以波特率的16倍速率采樣RXD腳狀態(tài)。當(dāng)采樣到RXD端從1到0的負(fù)跳變時就啟動檢測器，接收的值是3次連續(xù)采樣（第7、8、9個脈沖時采樣）取兩次相同的值，以確認(rèn)起始位（負(fù)跳變）的開始，較好地消除干擾引起的影響。27

圖7-12

方式1接收時序28當(dāng)確認(rèn)起始位有效時，開始接收一幀信息。每一位數(shù)據(jù)，也都進(jìn)行3次連續(xù)采樣（第7、8、9個脈沖采樣），接收的值是3次采樣中至少兩次相同的值。當(dāng)一幀數(shù)據(jù)接收完畢后，同時滿足以下兩個條件，接收才有效。（1）RI

=

0，即上一幀數(shù)據(jù)接收完成時，RI

=

1發(fā)出的中斷請求已被響應(yīng)，SBUF中的數(shù)據(jù)已被取走，說明“接收SBUF”已空。（2）SM2

=

0或收到的停止位

=

1（方式1時，停止位已進(jìn)入RB8），則將接收到的數(shù)據(jù)裝入SBUF和RB8（裝入的是停止位），且中斷標(biāo)志RI置“1”。若不同時滿足兩個條件，收的數(shù)據(jù)不能裝入SBUF，該幀數(shù)據(jù)將丟棄。297.2.3方式2方式2和方式3，為9位異步通信接口。每幀數(shù)據(jù)為11位，1位起始位0，8位數(shù)據(jù)位（先低位），1位可程控為1或0的第9位數(shù)據(jù)和1位停止位。方式2、方式3幀格式如圖7-13所示。

圖7-13

方式2、方式3的幀格式

方式2波特率

=

fosc301．方式2發(fā)送發(fā)送前，先根據(jù)通信協(xié)議由軟件設(shè)置TB8（如奇偶校驗位或多機(jī)通信的地址/數(shù)據(jù)標(biāo)志位），然后將要發(fā)送的數(shù)據(jù)寫入SBUF，即啟動發(fā)送。TB8自動裝入第9位數(shù)據(jù)位，逐一發(fā)送。發(fā)送完畢，使TI位置“1”。發(fā)送時序如圖7-14所示。

圖7-14

方式2和方式3發(fā)送時序31【例7-1】方式2發(fā)送在雙機(jī)串行通信中的應(yīng)用下面的發(fā)送中斷服務(wù)程序，以TB8作為奇偶校驗位，偶校驗發(fā)送。數(shù)據(jù)寫入SBUF之前，先將數(shù)據(jù)的偶校驗位寫入TB8（設(shè)第2組的工作寄存器區(qū)的R0作為發(fā)送數(shù)據(jù)區(qū)地址指針）。PIPTI： PUSH PSW ；現(xiàn)場保護(hù) PUSH Acc SETB RS1 ；選擇第2組工作寄存器區(qū) CLR RS0 CLR TI ；發(fā)送中斷標(biāo)志清“0” MOV A，@R0 ；取數(shù)據(jù) MOV C，P ；校驗位送TB8，采用偶校驗 MOV TB8，C ；P=1，校驗位TB8=1，P=0，校驗位TB8=032

MOVSBUF，A ；A數(shù)據(jù)發(fā)送，同時發(fā)TB8

INC R0 ；數(shù)據(jù)指針加1 POP Acc ；恢復(fù)現(xiàn)場 POP PSW RETI ；中斷返回2．方式2接收SM0、SM1=10，且REN

=

1時，以方式2接收數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)由RXD端輸入，接收11位信息。當(dāng)位檢測邏輯采樣到RXD的負(fù)跳變，判斷起始位有效，便開始接收一幀信息。在接收完第9位數(shù)據(jù)后，需滿足以下兩個條件，才能將接收到的數(shù)據(jù)送入SBUF（接收緩沖器）。（1）RI

=

0，意味著接收緩沖器為空。（2）SM2

=

0或接收到的第9位數(shù)據(jù)位RB8

=

1。33當(dāng)滿足上述兩個條件時，收到的數(shù)據(jù)送SBUF（接收緩沖器），第9位數(shù)據(jù)送入RB8，且RI置“1”。若不滿足這兩個條件，接收的信息將被丟棄。串行口方式2和方式3接收時序如圖7-15所示。

圖7-15

方式2和方式3接收時序34【例7-2】方式2接收在雙機(jī)通信中的應(yīng)用。本例對例7-1發(fā)送的數(shù)據(jù)進(jìn)行偶校驗接收，程序如下（設(shè)1組寄存器區(qū)的R