單片機(jī)原理及應(yīng)用（第二版） 課件 第4章 中斷、定時(shí)與串行通信

第4章中斷、定時(shí)與串行通信4.1中斷系統(tǒng)4.2定時(shí)/計(jì)數(shù)器4.3串行通信及其接口習(xí)題4

4.1中斷系統(tǒng)

4.1.1中斷的概念中斷是指CPU對(duì)系統(tǒng)中或系統(tǒng)外發(fā)生的某個(gè)事件的一種響應(yīng)過(guò)程，即CPU正在執(zhí)行程序時(shí)，系統(tǒng)發(fā)生某一事件需要迅速處理，CPU暫時(shí)停止現(xiàn)行程序的執(zhí)行，而自動(dòng)轉(zhuǎn)去處理該事件；當(dāng)事件處理完成后，CPU再返回到被暫停的程序斷點(diǎn)處，繼續(xù)執(zhí)行原來(lái)的程序，這一過(guò)程稱為中斷，如圖4.1所示。

圖4.1中斷過(guò)程

為實(shí)現(xiàn)中斷功能，單片機(jī)的中斷系統(tǒng)應(yīng)解決以下幾方面的問(wèn)題。

1.中斷源

所謂中斷源，是指引起CPU中斷的事件，即中斷請(qǐng)求信號(hào)的來(lái)源。中斷源向CPU提出的處理請(qǐng)求，稱為中斷請(qǐng)求或中斷申請(qǐng)。中斷請(qǐng)求信號(hào)的產(chǎn)生及該信號(hào)怎樣被CPU有效地識(shí)別是中斷源需要解決的問(wèn)題，而且要求中斷請(qǐng)求信號(hào)產(chǎn)生一次，只能被CPU接收處理一次，不能一次中斷被CPU多次響應(yīng)，這也就是中斷請(qǐng)求信號(hào)的及時(shí)撤除問(wèn)題。

2.中斷響應(yīng)、處理與返回

中斷源向CPU提出中斷請(qǐng)求，CPU暫時(shí)停止自身的事務(wù)，轉(zhuǎn)去處理事件的過(guò)程，稱為中斷響應(yīng)過(guò)程。對(duì)事件的整個(gè)處理過(guò)程，稱為中斷服務(wù)或中斷處理。處理完畢，再回到原來(lái)被中止的地方，稱為中斷返回。CPU接收到中斷請(qǐng)求信號(hào)后，怎樣轉(zhuǎn)向該中斷源的中斷服務(wù)程序及執(zhí)行完中斷處理程序后如何正確返回被中斷的程序繼續(xù)執(zhí)行是問(wèn)題的關(guān)鍵。中斷響應(yīng)與返回的過(guò)程中涉及CPU響應(yīng)中斷的條件、現(xiàn)場(chǎng)保護(hù)等問(wèn)題。

3.中斷級(jí)別

通常一個(gè)中斷系統(tǒng)都有多個(gè)中斷源，經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)兩個(gè)以上中斷源同時(shí)提出中斷請(qǐng)求的情況，這樣就需要設(shè)計(jì)者事先根據(jù)輕重緩急給每一個(gè)中斷源確定一個(gè)中斷級(jí)別(優(yōu)先權(quán))，當(dāng)多個(gè)中斷源同時(shí)發(fā)出中斷申請(qǐng)時(shí)，CPU能找到優(yōu)先權(quán)級(jí)別最高的中斷源，響應(yīng)它的中斷請(qǐng)求，在優(yōu)先權(quán)級(jí)別最高的中斷源處理完后，再響應(yīng)級(jí)別較低的中斷源。當(dāng)CPU響應(yīng)某一中斷源的請(qǐng)求并進(jìn)行中斷處理時(shí)，若有優(yōu)先權(quán)級(jí)別更高的中斷源發(fā)出中斷申請(qǐng)，則CPU要能中斷正在進(jìn)行的中斷服務(wù)程序，保留這個(gè)程序的斷點(diǎn)和現(xiàn)場(chǎng)，響應(yīng)高級(jí)中斷，在高級(jí)中斷處理完以后，再繼續(xù)執(zhí)行被中斷的中斷程序，這種情況稱為中斷嵌套。CPU一般都可實(shí)現(xiàn)多級(jí)中斷嵌套。

4.1.2MCS-51系列單片機(jī)的中斷系統(tǒng)

1.?MCS-51系列單片機(jī)中斷系統(tǒng)的組成

MCS-51系列單片機(jī)的中斷系統(tǒng)是8位單片機(jī)中功能較強(qiáng)的一種。51子系列單片機(jī)具有5個(gè)中斷源，52子系列單片機(jī)具有6個(gè)中斷源，具有兩級(jí)中斷優(yōu)先級(jí)，可實(shí)現(xiàn)兩級(jí)中斷嵌套，4個(gè)用于中斷控制的特殊功能寄存器IE、IP、TCON和SCON用來(lái)控制中斷的類型、中斷的開放/禁止和各種中斷源的優(yōu)先級(jí)別。MCS-51系列單片機(jī)中斷系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖4.2所示。

圖4.2MCS-51系列單片機(jī)中斷系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

1)定時(shí)/計(jì)數(shù)器控制寄存器TCON

TCON為定時(shí)/計(jì)數(shù)器T0、Tl的控制器寄存器，同時(shí)也鎖存了T0、Tl的溢出中斷請(qǐng)求信號(hào)標(biāo)志和外部中斷請(qǐng)求信號(hào)標(biāo)志，其各位的定義如下：

2)串行口控制寄存器SCON

SCON為串行口控制寄存器，SCON的低兩位鎖存串行口接收中斷和發(fā)送中斷標(biāo)志RI和TI，其格式如下：

?TI：串行口發(fā)送中斷標(biāo)志位。

?RI：串行口接收中斷標(biāo)志位。

3.中斷控制

MCS-51單片機(jī)有兩個(gè)特殊功能寄存器，用于中斷系統(tǒng)的控制，分別為中斷允許寄存器IE和中斷優(yōu)先級(jí)寄存器IP。

1)中斷允許寄存器IE

IE控制CPU對(duì)中斷源的開放或屏蔽，其格式如下：

?EA：CPU總中斷開放標(biāo)志位。

?ES：串行中斷允許標(biāo)志位。

?ET1：定時(shí)/計(jì)數(shù)器T1溢出中斷允許標(biāo)志位。

?EX1：外部中斷1中斷允許標(biāo)志位。

?ET0：定時(shí)/計(jì)數(shù)器T0溢出中斷允許標(biāo)志位。

?EX0：外部中斷0中斷允許標(biāo)志位。

2)中斷優(yōu)先級(jí)寄存器IP

MCS-51單片機(jī)具有兩個(gè)中斷優(yōu)先級(jí)，每個(gè)中斷源可編程為高優(yōu)先級(jí)中斷或低優(yōu)先級(jí)中斷，并可實(shí)現(xiàn)二級(jí)中斷嵌套。特殊功能寄存器IP就是用來(lái)設(shè)定各中斷源優(yōu)先級(jí)別的，其格式如下：

?PS：串行口中斷優(yōu)先級(jí)控制位。

?PT1：定時(shí)/計(jì)數(shù)器T1中斷優(yōu)先級(jí)控制位。

?PX1：外部中斷1中斷優(yōu)先級(jí)控制位。

?PT0：定時(shí)/計(jì)數(shù)器T0中斷優(yōu)先級(jí)控制位。

?PX0：外部中斷0中斷優(yōu)先級(jí)控制位。

通過(guò)設(shè)置IP寄存器把各中斷源的優(yōu)先級(jí)分為高、低兩級(jí)，它們遵循兩條基本原則：

(1)低優(yōu)先級(jí)中斷可以被高優(yōu)先級(jí)中斷所中斷，反之不能。

(2)一種中斷一旦得到響應(yīng)，與它同級(jí)的中斷不能再中斷。

當(dāng)CPU同時(shí)收到幾個(gè)同一優(yōu)先級(jí)別的中斷請(qǐng)求時(shí)，哪一個(gè)的請(qǐng)求得到服務(wù)取決于內(nèi)部的硬件查詢順序，CPU將按自然優(yōu)先級(jí)順序確定響應(yīng)哪個(gè)中斷請(qǐng)求。其自然優(yōu)先級(jí)由硬件形成，查詢次序如表4.1所示。

4.1.3中斷處理過(guò)程

中斷處理過(guò)程可分為三個(gè)階段：中斷響應(yīng)、中斷處理和中斷返回。

1.中斷響應(yīng)

1)中斷響應(yīng)條件

單片機(jī)響應(yīng)中斷的條件為中斷源有請(qǐng)求(中斷允許寄存器IE相應(yīng)位置1)，且CPU開中斷(即EA=1)。這樣，在每個(gè)機(jī)器周期的S5P2期間，對(duì)所有中斷源按用戶設(shè)置的優(yōu)先級(jí)和內(nèi)部規(guī)定的優(yōu)先級(jí)進(jìn)行順序檢測(cè)，并可在S6期間找到所有有效的中斷請(qǐng)求。如有中斷請(qǐng)求，且滿足下列條件，則在下一個(gè)機(jī)器周期的S1期間響應(yīng)中斷，否則將丟棄中斷采樣的結(jié)果：

(1)無(wú)同級(jí)或高級(jí)中斷正在處理；

(2)現(xiàn)行指令執(zhí)行到最后一個(gè)機(jī)器周期且已結(jié)束；

(3)若現(xiàn)行指令為RETI或訪問(wèn)IE、IP的指令時(shí)，執(zhí)行完該指令且緊隨其后的另一條指令也已執(zhí)行完畢。

2)中斷響應(yīng)過(guò)程

CPU響應(yīng)中斷后，首先置位相應(yīng)的優(yōu)先級(jí)觸發(fā)器，然后把斷點(diǎn)地址壓入堆棧保護(hù)，并將響應(yīng)的中斷矢量地址裝入程序計(jì)數(shù)器，轉(zhuǎn)入該中斷服務(wù)程序進(jìn)行處理。各中斷源與之對(duì)應(yīng)的矢量地址見表4.2。

3)中斷響應(yīng)時(shí)間

所謂中斷響應(yīng)時(shí)間，是指CPU檢測(cè)到中斷請(qǐng)求信號(hào)到轉(zhuǎn)入中斷服務(wù)程序入口所需要的機(jī)器周期數(shù)。了解中斷響應(yīng)時(shí)間對(duì)設(shè)計(jì)實(shí)時(shí)測(cè)控應(yīng)用系統(tǒng)有重要指導(dǎo)意義。

中斷響應(yīng)的最長(zhǎng)時(shí)間(在無(wú)特殊情況下)由下列情況決定：若中斷檢測(cè)時(shí)正在執(zhí)行RETI或訪問(wèn)IE或IP指令的第一個(gè)機(jī)器周期，則包括檢測(cè)在內(nèi)需要兩個(gè)機(jī)器周期(以上三條指令均需兩個(gè)機(jī)器周期)；若緊接著要執(zhí)行的指令恰好是執(zhí)行時(shí)間最長(zhǎng)的乘、除法指令，則其執(zhí)行時(shí)間均為四個(gè)機(jī)器周期；再用兩個(gè)機(jī)器周期執(zhí)行一條長(zhǎng)調(diào)用指令才轉(zhuǎn)入中斷服務(wù)程序。這樣，總共需要8個(gè)機(jī)器周期。其他情況下的中斷響應(yīng)時(shí)間一般為3～8個(gè)機(jī)器周期。

2.中斷處理

CPU響應(yīng)中斷結(jié)束后即轉(zhuǎn)至中斷服務(wù)程序的入口，并從中斷服務(wù)程序的第一條指令開始執(zhí)行，直到返回指令為止，這個(gè)過(guò)程稱為中斷處理或中斷服務(wù)。中斷處理包括兩部分內(nèi)容：一是保護(hù)現(xiàn)場(chǎng)和恢復(fù)；二是為中斷源服務(wù)。

保護(hù)現(xiàn)場(chǎng)是指保護(hù)PSW、工作寄存器、專用寄存器等數(shù)據(jù)。如果在中斷服務(wù)程序中要用這些寄存器，則在進(jìn)入中斷服務(wù)之前應(yīng)將它們的內(nèi)容保護(hù)起來(lái)，即保護(hù)現(xiàn)場(chǎng)。在中斷結(jié)束時(shí)，即執(zhí)行RETI指令之前，再恢復(fù)這些寄存器的內(nèi)容，即恢復(fù)現(xiàn)場(chǎng)。

中斷服務(wù)是針對(duì)中斷源的具體要求進(jìn)行的處理。

3.中斷返回

中斷服務(wù)程序中，最后一條指令是中斷返回指令RETI，該指令的功能是結(jié)束本次中斷服務(wù)，返回到原程序。在執(zhí)行RETI指令時(shí)，將壓入堆棧的中斷點(diǎn)地址彈出并送回程序計(jì)數(shù)器，使程序返回到原來(lái)被中斷處繼續(xù)執(zhí)行，同時(shí)清除相應(yīng)的優(yōu)先級(jí)觸發(fā)器。

4.1.4中斷請(qǐng)求的撤除

中斷源發(fā)出中斷請(qǐng)求后，CPU首先置位相應(yīng)的中斷標(biāo)志位，然后通過(guò)對(duì)中斷標(biāo)志位的檢測(cè)決定是否響應(yīng)中斷，所以撤除中斷請(qǐng)求就是要清除中斷標(biāo)志。CPU響應(yīng)某中斷請(qǐng)求后，在該中斷返回之前，應(yīng)將其對(duì)應(yīng)的中斷標(biāo)志位復(fù)位，否則CPU在返回主程序后將再次響應(yīng)該中斷。MCS-51單片機(jī)各個(gè)中斷源標(biāo)志位的清除方法不相同。

圖4.3給出了一種常用的撤銷外部中斷請(qǐng)求電路。

圖4.3撤銷外部中斷請(qǐng)求電路

圖4.4擴(kuò)展四個(gè)外部中斷源電路

4.2定時(shí)/計(jì)數(shù)器

4.2.1定時(shí)/計(jì)數(shù)器的結(jié)構(gòu)及工作原理1．定時(shí)/計(jì)數(shù)器的結(jié)構(gòu)MCS-51單片機(jī)內(nèi)部的定時(shí)/計(jì)數(shù)器邏輯結(jié)構(gòu)如圖4.5所示，它由6個(gè)特殊功能寄存器組成。其中，TMOD為定時(shí)/計(jì)數(shù)器方式控制寄存器，用來(lái)設(shè)置兩個(gè)16位定時(shí)/計(jì)數(shù)器T0和T1的工作方式；TCON為定時(shí)/計(jì)數(shù)器控制寄存器，主要用來(lái)控制定時(shí)/計(jì)數(shù)器T0和T1的啟動(dòng)和停止。兩個(gè)16位的定時(shí)/計(jì)數(shù)器T0?(TH0和TL0)和T1(TH1和TL1)用于設(shè)置定時(shí)或計(jì)數(shù)。

圖4.5定時(shí)/計(jì)數(shù)器邏輯結(jié)構(gòu)框圖

2．定時(shí)/計(jì)數(shù)器的工作原理

MCS-51單片機(jī)內(nèi)部的兩個(gè)16位可編程的定時(shí)/計(jì)數(shù)器T0和T1均有定時(shí)和計(jì)數(shù)功能。T0和T1的工作方式及功能選擇、定時(shí)時(shí)間、啟動(dòng)方式等均可以通過(guò)編程對(duì)相應(yīng)特殊功能

寄存器TMOD和TCON進(jìn)行設(shè)置來(lái)實(shí)現(xiàn)，計(jì)數(shù)值也可由軟件命令設(shè)置于16位的定時(shí)/計(jì)數(shù)器(TH0、TL0或TH1、TL1)中。

4.2.2定時(shí)/計(jì)數(shù)器的工作方式寄存器及控制寄存器

1．定時(shí)/計(jì)數(shù)器方式寄存器TMOD(89H)

定時(shí)/計(jì)數(shù)器T0、T1都有四種工作方式，可通過(guò)程序?qū)MOD進(jìn)行設(shè)置來(lái)選擇，其各位定義如下：

?GATE：門控位，用于控制定時(shí)/計(jì)數(shù)器的啟動(dòng)是否受外部中斷請(qǐng)求信號(hào)的控制。

?：定時(shí)或計(jì)數(shù)功能選擇位。

?M1、M0：定時(shí)/計(jì)數(shù)器工作方式選擇位。MCS-51單片機(jī)的定時(shí)/計(jì)數(shù)器有四種工作方式，如表4.3所示。

2．定時(shí)/計(jì)數(shù)器控制寄存器TCON

TCON用于控制定時(shí)/計(jì)數(shù)器的啟、停、溢出標(biāo)志和外部中斷信號(hào)觸發(fā)方式，其各位定義如下：

?TR1：定時(shí)/計(jì)數(shù)器T1的啟?？刂莆?。

?TR0：定時(shí)/計(jì)數(shù)器T0的啟?？刂莆弧?/p>

3．定時(shí)/計(jì)數(shù)器的工作方式

1)方式0

方式0為13位定時(shí)/計(jì)數(shù)器。13位計(jì)數(shù)寄存器由TH0(TH1)的高8位和TL0(TL1)的低5位構(gòu)成，TL0(TL1)中的高3位不用。T0(或T1)方式0的結(jié)構(gòu)框圖如圖4.6所示。

圖4.6T0(或T1)方式0的結(jié)構(gòu)框圖

2)方式1

方式1是16位定時(shí)/計(jì)數(shù)器，其結(jié)構(gòu)與方式0類似，唯一的區(qū)別在于計(jì)數(shù)器的位數(shù)不同。方式1的加1計(jì)數(shù)器由TH0(TH1)的8位和TL0(TL1)的8位構(gòu)成。

在方式1時(shí)，計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)值由下式確定：

N?=?216-x?=?65536-x

計(jì)數(shù)范圍為1～65536。

定時(shí)器的定時(shí)時(shí)間由下式確定：

T?=?N?×?Tcy?=?(65536-x)Tcy

如果fosc=12MHz，則Tcy=1μs，定時(shí)范圍為1～65536μs。

3)方式2

方式2是能自動(dòng)重裝計(jì)數(shù)初值的8位計(jì)數(shù)器。方式2中把16位的計(jì)數(shù)器拆成兩個(gè)8位計(jì)數(shù)器，低8位作計(jì)數(shù)器用，高8位用以保存計(jì)數(shù)初值。當(dāng)?shù)?位計(jì)數(shù)產(chǎn)生溢出時(shí)，將溢出中斷標(biāo)志位置1，同時(shí)又將保存在高8位中的計(jì)數(shù)初值重新裝入低8位計(jì)數(shù)器中，繼續(xù)計(jì)數(shù)，循環(huán)不止。T0(或T1)方式2的結(jié)構(gòu)框圖如圖4.7所示。

圖4.7T0(或T1)方式2的結(jié)構(gòu)框圖

在工作方式2時(shí)，計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)值由下式確定：

N?=?28-x?=?256-x

計(jì)數(shù)范圍為1～256。

定時(shí)器的定時(shí)值由下式確定：

T?=?N?×?Tcy?=?(256-x)Tcy

如果fosc=12MHz，則Tcy=1μs，定時(shí)范圍為1～256μs。

4)方式3

定時(shí)/計(jì)數(shù)器T0和T1在前三種工作方式下，其功能完全相同。但工作方式3對(duì)T0和T1是大不相同的。當(dāng)T1設(shè)置為工作方式3時(shí)，它將保持初始值不變，并停止計(jì)數(shù)，其狀態(tài)相當(dāng)于將啟?？刂莆籘R1設(shè)為0，因此T1不能工作在方式3下。

若將T0設(shè)為方式3，TL0和TH0被分成兩個(gè)互相獨(dú)立的8位計(jì)數(shù)器，其邏輯結(jié)構(gòu)如圖4.8所示。

圖4.8T0方式3的結(jié)構(gòu)框圖

4.2.3定時(shí)/計(jì)數(shù)器應(yīng)用舉例

1．定時(shí)/計(jì)數(shù)器初始化

定時(shí)/計(jì)數(shù)器初始化的內(nèi)容包含以下幾點(diǎn)：

(1)確定定時(shí)/計(jì)數(shù)器的工作模式及工作方式，即給TMOD置相應(yīng)的控制字。

(2)計(jì)算計(jì)數(shù)初值，送入計(jì)數(shù)器TH0、TL0或TH1、TL1中。

(3)根據(jù)使用要求確定是否需要開放中斷，若使用溢出中斷功能，則需要對(duì)中斷允許寄存器IE以及中斷優(yōu)先級(jí)寄存器IP進(jìn)行設(shè)置。

(4)給定時(shí)/計(jì)數(shù)器控制寄存器TCON送入命令字，啟動(dòng)定時(shí)/計(jì)數(shù)器工作。

2．定時(shí)/計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)初值計(jì)算

1)定時(shí)器的初值計(jì)算

當(dāng)選擇定時(shí)功能時(shí)，計(jì)數(shù)器是對(duì)機(jī)器周期進(jìn)行計(jì)數(shù)。設(shè)T為定時(shí)時(shí)間，x為計(jì)數(shù)器的初值，n為計(jì)數(shù)器位數(shù)，單片機(jī)系統(tǒng)時(shí)鐘頻率為fosc，則計(jì)數(shù)初值可通過(guò)如下公式計(jì)算：

2)計(jì)數(shù)功能的初值計(jì)算

選擇計(jì)數(shù)功能時(shí)，計(jì)數(shù)脈沖由外部引腳引入，是對(duì)外部脈沖進(jìn)行計(jì)數(shù)，計(jì)數(shù)初值可由下式確定：

x?=?2n-N

式中，N為計(jì)數(shù)值，其他參數(shù)的定義同定時(shí)器初值計(jì)算公式。

3．應(yīng)用舉例

例4.2用定時(shí)/計(jì)數(shù)器T1進(jìn)行外部事件計(jì)數(shù)，每計(jì)數(shù)1000個(gè)脈沖后，定時(shí)/計(jì)數(shù)器T1轉(zhuǎn)為定時(shí)工作方式，定時(shí)10ms后又轉(zhuǎn)為計(jì)數(shù)方式，如此循環(huán)不止。假定fosc為6MHz，用方式1編程。

解將T1在定時(shí)和計(jì)數(shù)兩種方式下輪換工作，首先讓T1工作在方式1。

T1為定時(shí)器時(shí)初值計(jì)算如下：

T1為計(jì)數(shù)器時(shí)初值計(jì)算如下：

4.3串行通信及其接口

CPU與外部的信息交換稱為通信。通信的基本方式可分為并行通信和串行通信兩種。并行通信是指構(gòu)成信息的二進(jìn)制字符的各位數(shù)據(jù)同時(shí)傳送的通信方法。并行通信的主要特點(diǎn)是傳輸速度快，在短距離通信中占優(yōu)勢(shì)，對(duì)長(zhǎng)距離數(shù)據(jù)傳輸來(lái)說(shuō)，因?yàn)樾盘?hào)線太多導(dǎo)致線路復(fù)雜，成本高。串行通信是指構(gòu)成信息的二進(jìn)制字符的各位數(shù)據(jù)一位一位順序地傳送的通信方式。串行通信線路簡(jiǎn)單，成本低但傳輸速度慢，適用于遠(yuǎn)距離傳輸。

4.3.1串行通信方式

1．異步通信

在異步通信中，被傳送的信息通常是一個(gè)字符代碼或一個(gè)字節(jié)數(shù)據(jù)，它們都以規(guī)定的相同傳送格式(字符幀格式)一幀一幀地發(fā)送或接收。發(fā)送端和接收端各有一套彼此獨(dú)立、互不同步的通信機(jī)構(gòu)，可以由各自的時(shí)鐘來(lái)控制數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收。

一個(gè)字符在異步傳送中又稱為一幀數(shù)據(jù)，字符幀也稱數(shù)據(jù)幀，由起始位、數(shù)據(jù)位、奇偶校驗(yàn)位和停止位四部分組成，異步通信的字符幀格式如圖4.9所示。圖4.9異步通信的字符幀格式

在串行異步傳送中，通信雙方必須事先約定：

字符格式。雙方要事先約定字符的編碼形式、奇偶校驗(yàn)形式及起始位和停止位的規(guī)定。例如用ASCII碼通信，有效數(shù)據(jù)為7位，加一個(gè)奇偶校驗(yàn)位、一個(gè)起始位和一個(gè)停止位共10位。當(dāng)然停止位也可以大于1位。

波特率。波特率就是數(shù)據(jù)的傳送速率，即每秒鐘傳送的二進(jìn)制位數(shù)，單位為位/秒。它與字符的傳送速率(字符/秒)之間有以下關(guān)系：

波特率?=?一個(gè)字符的二進(jìn)制編碼位數(shù)?×?字符/秒

發(fā)送端與接收端的波特率必須一致。

2．同步通信

同步通信是一種連續(xù)串行傳送數(shù)據(jù)的通信方式，一次通信只傳送一幀信息。這里的信息幀與異步通信中的字符幀不同，通常含有若干個(gè)數(shù)據(jù)字符，即數(shù)據(jù)塊，它們都是由同步字符、數(shù)據(jù)字符和校驗(yàn)字符三部分組成的。一旦檢測(cè)到同步字符，下面就是按順序傳送的數(shù)據(jù)塊。同步通信的格式如圖4.10所示。

圖4.10同步通信的格式

3)串行通信的制式

串行通信中，信息數(shù)據(jù)在通信線路兩端的通信設(shè)備之間傳遞，按照數(shù)據(jù)傳遞方向和兩端通信設(shè)備所處的工作狀態(tài)，可將串行通信分為單工、半雙工和全雙工三種工作制式，如圖4.11所示。

圖4.11串行通信數(shù)據(jù)傳送的制式

4.3.2MCS-51單片機(jī)的串行通信接口及其工作方式

1．串行口的結(jié)構(gòu)與功能

MCS-51單片機(jī)串行口內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖如圖4.12所示。?MCS-51單片機(jī)串行口主要由兩個(gè)物理上獨(dú)立的串行數(shù)據(jù)緩沖寄存器SBUF、發(fā)送控制器、接收控制器、輸入移位寄存器和輸出控制門組成。兩個(gè)特殊功能寄存器SCON和PCON用來(lái)控制串行口的工作方式和波特率。發(fā)送緩沖寄存器SBUF只能寫，不能讀；接收緩沖寄存器SBUF只能讀，不能寫。兩個(gè)緩沖寄存器共用一個(gè)地址99H，可以用讀/寫指令區(qū)分。圖4.12MCS-51單片機(jī)串行口內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖

2．與串行口相關(guān)的控制寄存器

MCS-51單片機(jī)中，與串行口工作相關(guān)的特殊功能寄存器有四個(gè)，分別為串行口控制寄存器SCON、電源控制寄存器PCON、中斷允許寄存器IE和中斷優(yōu)先級(jí)寄存器IP。其中PCON、IE、IP在前面章節(jié)已經(jīng)介紹過(guò)，在此只介紹SCON。

SCON用于串行口的工作方式選擇、接收和發(fā)送控制以及串行口的狀態(tài)標(biāo)志，是一個(gè)可位尋址的8位特殊功能寄存器。其各位的定義如下：

?SM0、SM1：由軟件置位或清0，用于選擇串行口四種工作方式，如表4.4所示。

3．串行口工作方式

1)方式0

方式0下，串行口用作同步移位寄存器，其波特率固定為單片機(jī)振蕩頻率的1/12，串行傳送數(shù)據(jù)8位為一幀，由RXD(P3.0)引腳發(fā)送或接收，低位在前，高位在后。TXD(P3.1)引腳輸出同步移位脈沖信號(hào)，可以作為外部擴(kuò)展的移位寄存器的移位時(shí)鐘，因而串行口方式0常用于擴(kuò)展外部并行I/O口。

2)方式1

在方式1下，串行口為10位通用異步通信接口。一幀信息包括1位起始位(0)、8位數(shù)據(jù)位(低位在前)和l位停止位(1)。TXD是發(fā)送端，RXD是接收端。其傳送波特率可變。

3)方式2與方式3

方式2、方式3都是11位異步通信接口，發(fā)送或接收的一幀信息由11位組成，其中1位起始位、9位數(shù)據(jù)位(低位在前)和1位停止位。方式2與方式3僅波特率不同，方式2的波特率為fosc/32(SMOD=1時(shí))或fosc/64(SMOD=0時(shí))，而方式3的波特率由定時(shí)/計(jì)數(shù)器T1及SMOD決定。

4．波特率設(shè)置

串行口的四種工作方式對(duì)應(yīng)著三種波特率模式。

對(duì)于方式0，波特率是固定的，為fosc12。

對(duì)于方式2，波特率由振蕩頻率fosc和SMOD(PCON.7)所決定，其對(duì)應(yīng)公式為

當(dāng)SMOD=0時(shí)，波特率為fosc/64；當(dāng)SMOD=1時(shí)，波特率為fosc/32。

對(duì)于方式1和方式3，波特率由定時(shí)/計(jì)數(shù)器T1的溢出率和SMOD決定，即由下式確定：

其中，溢出率取決于計(jì)數(shù)速率和定時(shí)器的初值。當(dāng)利用TI作波特率發(fā)生器時(shí)，通常選用方式2，即8位自動(dòng)重裝初值模式，其中TL1作計(jì)數(shù)器，TH1存放自動(dòng)重裝的定時(shí)初值。因此，對(duì)T1初始化時(shí)，寫入方式控制字TMOD=00100000B。

這樣每過(guò)“256-x”個(gè)機(jī)器周期，定時(shí)器T1就會(huì)產(chǎn)生一次溢出，溢出周期為

溢出率為溢出周期的倒數(shù)，因此，波特率的公式還可寫成：

實(shí)際應(yīng)用時(shí)，總是先確定波特率，再計(jì)算定時(shí)器T1的定時(shí)初值。根據(jù)上述波特率的公式，得出計(jì)算定時(shí)器方式2的初值x的公式為

4.3.3串行通信應(yīng)用舉例

1．利用串行口擴(kuò)展并行I/O接口

當(dāng)串行口工作于方式0時(shí)，是移位寄存器方式，此時(shí)可以利用串行口外接移位寄存器將串行口擴(kuò)展為并行口。

例4.3利用串行口方式0擴(kuò)展I/O接口，接8個(gè)共陰極數(shù)碼管，使片內(nèi)RAM的30H～37H單元的內(nèi)容依次顯示在8個(gè)數(shù)碼管上。

解串行口工作在方式0，在TXD和RXD引腳連接串入并出的移位寄存器74LS164即可實(shí)現(xiàn)題目要求，利用串行口擴(kuò)展并行I/O口電路圖如圖4.13所示。圖4.13利用串行口擴(kuò)展并行I/O口電路圖

2．用串行口作異步通信

串行口工作方式1、2、3都是異步通信，它們之間的區(qū)別在于字符幀格式和通信波特率不同。雙機(jī)異步通信的連接線路圖如圖4.14所示。圖4.14雙機(jī)異步通信的連接線路圖

例4.4甲乙兩機(jī)按工作方式1進(jìn)行串行通信，甲乙雙方的fosc=11.059MHz，波特率取2400，甲機(jī)將片內(nèi)RAM的30H到3FH的內(nèi)容向乙機(jī)發(fā)送，先發(fā)送數(shù)據(jù)塊長(zhǎng)度，再發(fā)送數(shù)據(jù)。甲機(jī)數(shù)據(jù)全部發(fā)送完向乙機(jī)發(fā)送一個(gè)累加校驗(yàn)和。乙機(jī)接收數(shù)據(jù)進(jìn)行累加和校驗(yàn)，若與甲機(jī)發(fā)送的一致，則發(fā)送數(shù)據(jù)AAH，表示接收正確；若不一致，則發(fā)送數(shù)據(jù)BBH，甲機(jī)接收到BBH后，重發(fā)數(shù)據(jù)。編寫程序。

解當(dāng)fosc=11.0592MHz，波特率取2400，取SMOD為0，定時(shí)/計(jì)數(shù)器T1工作于方式2時(shí)，計(jì)數(shù)初值為0F4H。設(shè)R6作為數(shù)據(jù)長(zhǎng)度計(jì)算器，R5為累加和寄存器。乙機(jī)接收的數(shù)據(jù)存放于片內(nèi)RAM的30H開始的單元。

3．多機(jī)通信

MCS-51的方式2和方式3有一個(gè)專門的應(yīng)用領(lǐng)域，即多處理機(jī)通信，它可以方便地應(yīng)用于主從式系統(tǒng)。這種系統(tǒng)采用一臺(tái)主機(jī)和多臺(tái)從機(jī)，主機(jī)和各從機(jī)可實(shí)現(xiàn)全雙工通信，其中主機(jī)發(fā)送的信息可被各從機(jī)接收，而各從機(jī)發(fā)送的信息只能由主機(jī)接收，從機(jī)與從機(jī)之間不能