第五节 串行接口
中央处理器CPU和外界的信息交换称为通信。通常有并行和串行两种通信方式，数据的各位同时传送的称为并行通信，数据一位一位串行地顺序传送的称为串行通信。
并行通信通过并行接口来实现，如MCS51的P1口就是并行接口。串行通信通过串行口来实现，MCS 51有一个全双工的异步串行接口可以用于串行数据通信。
一、串行接口的组成和特性
MCS-51的串行口是一个全双工的异步串行通信接口，可以同时发送和接收数据。串行口的内部有数据接收缓冲器和数据发送缓冲器。数据接收缓冲器只能读出不能写入，数据发送缓冲器只能写入不能读出，这两个数据缓冲器都用符号SBUF来表示，地址都是99H。CPU对特殊功能寄存器SBUF执行写操作，就是将数据写入发送缓冲器；对SBUF读操作，就是读出接收缓冲器的内容。
特殊功能寄存器SCON存放串行口的控制和状态信息，串行口用定时器T1或T2（8052）作为波特率发生器，特殊功能寄存器PCON的最高位SMOD为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是一个特殊功能寄存器，地址为98H，具有位寻址功能。其格式如下：
SM0
SM1
SM2
REN
TB8
RB8
TI
RI
SM0、SM1：串行口的方式选择位。功能如表2-10所示。
表2-10
串行口四种工作方式
SM2：允许方式2和3的多机通信控制位。对于方式2或3，如SM2置为1，则接收到的第9位数据（RB8）为0时不激活RI。对于方式1，如SM2=1，则只有接收到有效的停止位时才会激活RI。对于方式0，SM2应该为0。
REN：允许串行接收位。由软件置位“1”以允许接收。由软件清“0”来禁止接收。TB8：对于方式2和3，是发送的第9位数据。需要时由软件置位或复位。
RB8：对于方式2和3，是接收到的第9位数据。对于方式1，如SM2=0，RB8是接收到的停止位。对于方式0，不使用RB8。
TI：发送中断标志。由硬件在方式0串行发送第8位结束时置位，或在其他方式串行发送停止位的开始时置位。必须由软件清“0”。
RI：接收中断标志。由硬件在方式0接收到第8位结束时置位，或在其他方式接收到停止位的中间时置位。必须由软件清“0”。
2.电源控制寄存器PCON
电源控制寄存器PCON格式如下：
SMOD
—
—
—
GF1
GF0
PD
IDL
PCON的最高位是串行口波特率系数控制位SMOD，当SMOD为1时使波特率加倍。PCON的其他位为节电方式控制位（CHMOS器件有效，详见节电方式一节）。
二、串行接口的工作方式
MCS-51串行接口具有四种工作方式，我们主要从应用的角度讨论各种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，用以扩展I/O接口。输出时将发送数据缓冲器中的内容串行地移到外部的移位寄存器，输入时将外部移位寄存器内容移入内部的输入移位寄存器，然后写入内部的接收数据缓冲器。
在以方式0工作时数据由RXD串行地输入/输出，TXD输出移位脉冲，使外部的移位寄存器移位。波特率固定为振荡器频率的1/12。方式0时串行口简化的逻辑结构框图如
图2-17所示。
图2-17 串行口方式0结构
（1）方式0输出。CPU对发送数据缓冲器SBUF写入一个数据，就启动串行口发送，发送的时序如图2-18所示。
发送时，发送指令“写SBUF”打开三态门1，这样经内部总线送来的8位并行数据就可以写入发送数据缓冲器SBUF。写信号同时启动发送控制器。经一个机器周期，发送控制端SEND有效，打开门5和门6，允许RXD引脚向外发送数据，同时TXD引脚输出同步移位脉冲。在由时钟信号触发产生的内部移位脉冲作用下，发送数据缓冲器SBUF中待发送的数据逐位串行输出。因为每一个机器周期只能发送一位数据，故波特率为fosc/12。外部时钟信号同时在TXD上产生同步移位脉冲，每一个机器周期从TXD上输出一个同步移位脉冲。一帧（8位）数据发送完毕，SEND恢复低电平，停止发送。且发送控制器硬件置发送中断标志TI=1。这时如果允许发送中断，则进入发送中断处理程序。如果图2-18 串行口方式0的发送时序
要再次发送数据，则必须在发送前用软件清TI为0。
（2）方式0输入。当RI=0时，将REN置1就启动了接收。此时RXD为串行数据接收端，TXD依然输出同步移位脉冲。方式0的接收时序如图2-19所示。
图2-19 串行口方式0的接收时序
接收过程启动后，经过一个机器周期，接收控制端RECV有效，打开门6，允许TXD输出同步移位脉冲。在同步移位脉冲的控制下，外设逐位的向单片机输送数据。因为仍然是一个机器周期输送一位数据，故波特率也不变，仍为fosc/12。在内部移位脉冲控制下，RXD上外设传入的串行数据逐位移入移位寄存器。当一帧（8位）数据全部移入移位寄存器后，接收控制器使RECV失效，停止输出移位脉冲，发出“装载SBUF”信号，打开三态门2，将8位串行数据并行送入接收缓冲器SBUF。同时，接收控制器硬件将RI置1，向CPU申请中断。如果CPU允许串行口接收中断，则响应中断。一般来说，在接收中断处理程序中至少要做两件事，一是将RI清零，以备接收下一帧数据；二是将SBUF中接收到的数据移出。在执行读取SBUF指令后，CPU发出“读SBUF”信号，打开三态门3，数据经内部总线进入CPU。
2.方式1
串行口定义为方式1时，它是一个8位异步串行通信口，TXD为数据输出线，RXD为数据输入线。传送一帧信息的数据为10位：1位起始位，8位数据位（先低位后高位），1位停止位。方式1的波特率由定时器T1或T2（8052）的溢出率确定。方式1时串行口简化的逻辑结构框图如图220所示。
图2-20 串行口方式1、2、3的结构
（1）方式1输出。CPU执行一条写SBUF指令后便启动了串行口发送，其输入时序如
图2-21（a）所示。
图2-21 串行口方式1的时序
在指令执行期间，CPU送来“写SBUF”信号，将并行数据送入SBUF，并启动发送控制器，经一个机器周期，发送控制器的SEND、DATA相继有效，通过输出控制门从TXD上逐位输出一帧信号。一帧信号发送完毕后，SEND、DATA失效，发送控制器硬件置发送中断标志TI=1，向CPU申请中断。
（2）方式1输入。输入的时序如图2-21（b）所示。当允许接收标志REN=1时，接收器便以用户所设波特率的16倍速率采样RXD脚状态。在采样信号的负跳变时启动接收控制器接收数据。为了避免通信双方波特率微小不同的误差影响，接收控制器将一位数据的传送时间等分为16份，并在第7、8、9三个状态由位检测器采样RXD三次，取三次采样中至少两次相同的值作为数据。这样可以大大减少干扰影响，保证通信准确无误。
如果接收到的起始位不为0，则起始位无效，复位接收电路，重新开始接收。接收到起始位0后，开始接收本帧数据，当8位数据和停止位都接收完毕后，如果RI=1，则接收的数据将会丢失。如果RI=0，并且SM2=0或停止位为1，则表示接收数据有效，开
始装载SBUF，8位有效数据送入SBUF，停止位送入RB8，同时硬件置RI=1，向CPU
申请中断，TI必须由用户用软件清0。无论数据接收有效无效，接收控制器将再次采样RXD引脚的负跳变，以接收下一帧信息。
3.方式2和方式3
串行口工作在方式2时为9位异步串行通信口。方式2与方式1不同的是，它的数据是9位的，即它的一帧包括11位，1个开始位，9个数据位和1个停止位。其中第9位（即D8）数据是可由用户编程的，可用来作奇偶校验，也可用来作地址数据标志位。
当SM0=1、SM1=1时，串行口工作在方式3。方式3与方式2极其接近，它们之间唯一的差别在于波特率不同。方式2是波特率固定的，而方式3的波特率是可变的。
方式2和方式3的发送和接收与方式1相似，只是发送时将SCON寄存器中的TB8取出，作为第9位数据发送；接收时，若接收有效，则将接收到的第9位数据送到SCON
的RB8保存。
方式2和方式3多用于多机通信。三、波特率
1.方式0波特率
串行口方式0的波特率由振荡器的频率所确定：方式0波特率=振荡器频率/12
2.方式2波特率
串行口方式2的波特率由振荡器的频率和SMOD（PCON.7）所确定：
方式2波特率=2SMOD×振荡器频率/64
3.方式1和方式3的波特率
串行口方式1和方式3的波特率由定时器T1或T2（8052等单片机）的溢出率和SMOD所确定。T1和T2是可编程的，可以选的波特率范围比较大，因此串行口方式1和3是最常用的工作方式。
（1）用定时器T1产生波特率。当定时器T1作为串行口的波特率发生器时，串行口方式1和3的波特率由下式确定：
方式1和3波特率=2SMOD×（T1溢出率）/32
定时器T1作波特率发生器时，应禁止T1中断。通常T1工作于定时方式（C/T=0），计数脉冲为振荡器的十二分频信号。也可以选择外部T1（P3.5）上的输入脉冲作为T1计数信号（C/T=1）。T1的溢出率又和它的工作方式有关，一般选方式2定时，此时波特率的计算公式为：
方式1和方式3波特率=2SMOD×振荡器频率/﹛32×12[256（TH1）]﹜
（2）用定时器T2产生波特率。8052等单片机内的定时器T2也可以作为串行口的波特率发生器，置位T2CON中的TCLK或RCLK位，T2就工作于串行口的波特率发生器方式。这时T2的逻辑结构框图如图2-22所示。
图2-22 T2波特率发生器方式结构
T2的波特率发生器方式和计数初值常数自动再装入方式相似，若C/T2=0，以振荡器的二分频信号作为T2的计数脉冲，C/T2=1时，计数脉冲是外部引脚T2（P1.0）上的输入信号。T2作为波特率发生器时，当TH2计数溢出时，将RCAP2H和RCAP2L中常数自动装入TH2、TL2，使T2从这个初值开始计数，但是并不置“1”TF2，RCAP2H和RCAP2L中的常数由软件设定后，T2的溢出率是严格不变的，因而使串行口方式1和3的波特率非常稳定，其值为：
方式1和3波特率=振荡器频率/32［65536-（RCAP2H）（RCAP2L）］
T2工作于波特率发生器方式时，计数溢出时不会置“1”TF2，不向CPU请求中断，
因此可以不必禁止T2的中断。如果EXEN2为1，当T2EX（P1.1）上输入电平发生“1”至“0”的负跳变时，也不会引起RCAP2H和RCAP2L中的常数装入TH2、TL2，仅仅
置位EXF2，向CPU请求中断，因此T2EX可以作为一个外部中断源使用。
在T2计数过程中（TR2=1）不应该对TH2、TL2进行读/写。如果读，则读出结果不会精确（因为每个状态加1）；如果写，则会影响T2的溢出率使波特率不稳定。在T2的计数过程中可以对RCAP2H和RCAP2L进行读但不能写，如果写也将使波特率不稳
定。因此，在初始化中，应先对TH2、TL2、RCAP2H、RCAP2L初始化编程以后才置“1”TR2，启动T2计数。