UART串口通信浅谈之(二)--寄存器设置

1.1 通信的三种基本类型

常用的通信通常可以分为单工、半双工、全双工通信。

单工就是指只允许一方向另外一方传送信息，而另一方不能回传信息。比如我们的电视遥控器，我们的收音机广播等，都是单工通信技术。

半双工是指数据可以在双方之间相互传播，但是同一时刻只能其中一方发给另外一方，比如我们的对讲机就是典型的半双工。

全双工通信就发送数据的同时也能够接受数据，两者同步进行，就如同我们的电话一样，我们说话的同时也可以听到对方的声音。

1.2 UART模块介绍

IO 口模拟串口通信，了解了串口通信的实质，但是单片机程序却需要不停的检测扫描单片机 IO 口收到的数据，大量占用了 CPU 资源。这时候就会有人想了，其实我不是很关心通信的过程，只需要一个通信的结果，最终得到接收到的数据就行了。这样我们可以在单片机内部做一个硬件模块，让它自动接收数据，接收完了，通知我们一下就可以了，STC51 单片机内部就存在这样一个 UART 模块，要正确使用它，当然还得先把对应的特殊功能寄存器配置好。

STC51 单片机的 UART 串行口的结构由串行口控制寄存器 SCON 、发送和接收电路三部分构成，先来了解一下串口控制寄存器 SCON 。

表1-1 SCON--串行控制寄存器的位分配 ( 地址：98H)

       可位寻址；复位值： 0x00 ；复位源：任何复位

位	7	6	5	4	3	2	1	0
符号	SM0	SM1	SM2	REN	TB8	RB8	TI	RI

表1-2 SCON--串行控制寄存器的位描述

位	符号	描述
7	SM0	这两位共同决定了串口通信的模式0 到模式 3 共 4 种模式。我们最常用的就是模式1 ，也就是 SM0=0 ， SM1=1 ，下边我们重点就讲模式 1 ，其他模式从略。
6	SM1
5	SM2	多机通信控制位( 很少用 ) ，模式 1 直接清零。
4	REN	使能串行接收。由软件置位使能接收，软件清零则禁止接收
3	TB8	模式2 和 3 中将要发送的第 9 位数据 ( 很少用 )
2	RB8	模式2 和 3 中接收第 9 位数据 ( 很少用 ) ，模式 1 用来接收停止位
1	TI	发送中断标志位，模式1 下，在数据位最后一位发送结束，开始发送停止位时由硬件自动置1 ，必须通过软件清零。也就是说，再发送前我们清零 TI ，发送数据，数据发送到停止位时， TI 硬件置 1 ，方便我们 CPU 查询发送完毕状态。
0	RI	接收中断标志位，当接收电路接收到停止位的中间位置时，RI 由硬件置 1 。也就是说，接收数据之前我们必须清零 RI ，接受数据到停止位的中间位置时， RI 硬件置 1 ，方便我们 CPU 查询到接收状态。

   对于串口的四种模式，模式 1 是最常用的，就是前边提到的 1 位起始位， 8 位数据位和 1 位结束位。其他 3 种模式，真正遇到需要使用的时候大家再去查资料就行。

在我们使用 IO 口模拟串口通信的时候，我们串口的波特率是使用定时器 0 的中断体现出来的。在实际串口模块中，有一个专门的波特率发生器用来控制发送数据的速度和读取接收数据的速度。对于 STC89C52RC 单片机来讲，这个波特率发生器只能由定时器 1 或定时器 2 产生，而不能由定时器 0 产生，这和我们模拟的通信是完全不同的概念。

如果用定时器 2 ，需要配置额外的寄存器，默认是使用定时器 1 的，本章内容主要是使用定时器 1 作为波特率发生器来讲解，方式 1 下的波特率发生器必须使用定时器 1 的模式 2 ，也就是自动重装载模式，定时器的初值具体的计算公式是：

           TH1 = TL1 = 256 - 晶振值/12 /2/16 /波特率

和波特率有关的还有一个寄存器，是一个电源管理寄存器PCON，它的最高位可以把波特率提高一倍，也就是如果写PCON |=0x80 以后，计算公式就成了：           TH1 = TL1 = 256 - 晶振值/12 /16 /波特率

数字的含义这里解释一下， 256 是 8 位数据的溢出值，也就是 TL1 的溢出值， 11059200 就是我们板子上单片机的晶振， 12 是说 1 个机器周期是 12 个时钟周期，值得关注的是这个 16 ，重点说明。在 IO 口模拟串口通信接收数据的时候，我们采集的是这一位数据的中间位置，而实际上串口模块比我们模拟的要复杂和精确一些。它采取的方式是把一位信号采集 16 次，其中第 7 、 8 、 9 次取出来，这三次中其中两次如果是高电平，那么就认定这一位数据是 1 ，如果两次是低电平，那么就认定这一位是 0 ，这样一旦受到意外干扰读错一次数据，也依然可以保证最终数据的正确性。

了解了串口采集模式，在这里要给大家留一个思考题。“晶振值 /12/2/16/ 波特率”这个地方计算的时候，出现不能除尽，或者出现小数怎么办，允许出现多大的偏差？把这部分理解了，也就理解了我们的晶振为何使用 11.0592M 了。

串口通信的发送和接收电路，主要了解一下他们在物理上有 2 个名字相同的 SBUF 寄存器，他们的地址也都是 99H ，但是一个用来做发送缓冲，一个用来做接收缓冲。意思就是说，有 2 个房间，两个房间的门牌号是一样的，其中一个只出人不进人，另外一个只进人不出人，这样的话，我们就可以实现 UART 的全双工通信，相互之间不会产生干扰。但是在逻辑上呢，我们每次只操作 SBUF ，单片机会自动根据对它执行的是“读”还是“写”操作来选择是接收 SBUF 还是发送 SBUF ，后边通过程序，我们就会彻底了解这个问题。

1.3 UART串口程序

一般情况下，编写串口通信程序的基本步骤如下所示：

1、配置串口为模式 1 。

2、配置定时器 T1 为模式 2 ，即自动重装模式。

3、确定波特率大小，计算定时器 TH1 和 TL1 的初值，如果有需要可以使用 PCON 进行波特率加倍。

4、打开定时器控制寄存器 TR1 ，让定时器跑起来。

这个地方还要特别注意一下，就是在使用 T1 做波特率发生器的时候，千万不要再使能 T1 的中断了。

我们先来看一下由 IO 口模拟串口通信直接改为使用硬件 UART 模块时程序代码，看看程序是不是简单了很多，因为大部分的工作硬件模块都替我们做了。程序功能和 IO 口模拟的是完全一样的。

#include 
void ConfigUART(unsigned int baud);
void main ()
{
    ConfigUART(9600);  //配置波特率为9600

    while(1)
    {
        while (!RI);     //等待接收完成
        RI = 0;          //清零接收中断标志位
        SBUF = SBUF + 1; //接收到的数据+1后，发送回去；
                           //等号左边的SBUF实际上就是发送SBUF，因为对它的操作是“写”；
                           //等号右边的是接收SBUF，因为对它的操作是“读”。
        while (!TI);     //等待发送完成
        TI = 0;          //清零发送中断标志位
    }
}
void ConfigUART(unsigned int baud)  //串口配置函数，baud为波特率
{
    SCON = 0x50;   //配置串口为模式1
    TMOD &= 0x0F;  //清零T1的控制位
    TMOD |= 0x20;  //配置T1为模式2
    TH1 = 256 - (11059200/12/32) / baud;  //计算T1重载值
    TL1 = TH1;     //初值等于重载值
    ET1 = 0;       //禁止T1中断
    TR1 = 1;       //启动T1
}

当然了，这个程序还是在主循环里等待接收中断标志位和发送中断标志位的方法来编写的，而实际工程开发中，当然就不能这么干了，所以就用到了串口中断，来看一下程序。

#include 
void ConfigUART(unsigned int baud);
void main ()
{
    ConfigUART(9600);  //配置波特率为9600

    while(1);
}
void ConfigUART(unsigned int baud)  //串口配置函数，baud为波特率
{
    SCON = 0x50;   //配置串口为模式1
    TMOD &= 0x0F;  //清零T1的控制位
    TMOD |= 0x20;  //配置T1为模式2
    TH1 = 256 - (11059200/12/32) / baud;  //计算T1重载值
    TL1 = TH1;     //初值等于重载值
    ET1 = 0;       //禁止T1中断
    TR1 = 1;       //启动T1
    ES = 1;   //打开串口中断
    EA = 1;   //打开总中断
}
void InterruptUART() interrupt 4
{
    if (RI)  //接收到字节
    {
        RI = 0;  //手动清零接收中断标志位
        SBUF = SBUF + 1;//接收数据+1发回去，左边为发送SBUF，右边为接收SBUF。
    }
    if (TI)  //字节发送完毕
    {
        TI = 0;  //手动清零发送中断标志位
    }  
}

大家可以试验一下试试，看看是不是和前边用 IO 口模拟通信实现的效果一致，而主循环却完全空出来了，我们就可以随意添加其它功能代码进去。