MCS-51---串行通信的特点

目录

一.同步通信和异步通信

1.异步通信

2.同步通信

二.串行通信的方式

1.单工

2.半双工

3.全双工

三.串行通信的速率

四.MCS-51单片机结构

五.串行口的控制

1.串行口控制寄存器(SCON)

2.电源控制寄存器(PCON)

六.波特率的设计

七.串行口的工作方式

1.方式0

2.方式1

3.方式2与方式3

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一.同步通信和异步通信

串行通信有两种基本通信方式，即同步通信和异步通信。

1.异步通信

在异步通信中，数据或字符是一帧一帧地传送的。帧定义为一个字符的完整的通信格式。
一般也称为顿格式。在格式中，一个字符由 4 个部分组成:起始位、数据位、奇偶校验和停止位。首先是一个起始位“0”表示字符的开始；然后是 5~8 位数据，规定低位在前高位在后：接下来是奇偶校验位(该位可省略)；最后是一个停止位“1”，用以表示字符的结束，停止位可以是1位、1.5 位、2位，不同的计算机规定有所不同。如图所示为11位的帧格式

由于异步通信每传送一帧有固定格式，通信双方只需按约定的帧格式来发送和接收数据，所以，硬件结构比较简单;此外，它还能利用奇偶校验位检测错误，因此，这种通信方式应用比较广泛。

2.同步通信

同步通信中，在数据开始传送前用同步字符来指示，同步字符通常为 1~2个，数据传
送由时钟系统实现发送端和接收端同步，即检测到规定的同步字符后，下面就连续按顺序传送数据，直到通信告一段落。同步传送时，字符与字符之间没有间隙，不用起始位和停止位，仅在数据块开始时用同步字符SYNC来指示，同步传送格式如图所示。

同步通信中数据块传送时去掉了字符开始和结束的标志，因而其速度高于异步传送,但这种通信方式对硬件的结构要求比较高。

二.串行通信的方式

在串行通信中，数据是在两机之间进行传送的。按照数据传送的方向，串行通信可以分为单工制式、半双工制式和全双工制式。

1.单工

单工制式的数据传送是单向的。如图所示，通信双方中一方固定为发送端，另一方固定为接收端。单工制式的串行通信，只需要一条数据线。

2.半双工

在半双工制式下，甲乙两机之间只有一个通信回路，接收和发送不能同时进行，只能分时接收和发送，即在任一时刻只能由两机中的一方发送数据，另一方接收数据。因而两机之间只需一条数据线即可，如图所示

3.全双工

在全双工制式下，甲乙两机之间的数据发送和接收可以同时进行，全双工制式的串行通信必须使用两根数据线，如图所示。不管哪种形式的串行通信，两机之间均应有共地线。

三.串行通信的速率

传送速率是指数据传送的速度。在串行通信中，数据是按位进行传送的，因此传送速率用每秒钟传送数据的位数来表示，称之为波特率(baud/s)。例如数据传送速率是120个bit/s.每个字符由1个起始位、8个数据位和1个停位构成，则其传送波特率为:

10X120=1200baud/s

异步通信的传送速度一般在 50~19200baud/s 之间，常用于计算机低速终端以及双机或多机之间的通信等。在波特率选定之后，对于设计者来说，就是如何得到能满足波特率要求的发送时钟脉冲和接收时钟脉冲。

四.MCS-51单片机结构

MCS-51 的行口是一个可编程的全双工串行通信接口，通过软件编程可以用作通用异步接收和发送器,也可以用作同步移位寄存器。其格式有 8 位、10位和 11 位，并能设置各种波特率，使用灵活方便。

MCS-51单片机的串行口结构框图如图所示。由图可见，它主要由两个数据缓冲器SBUF和一个输入移位寄存器，以及一个串行口控制寄存器 SCON 等组成。MCS-51串行口能以全双工方式通信，即两个缓冲器可以同时接收和发送数据，但是对于单片机内部总线来说，发送和接收是不能同时进行的，所以给这两个缓冲器指定相同的名称(SBUF)，且占用同一个地址99H。

串行发送与接收的速率与移位脉冲同步。MCS-51常用定时器T1(方式2)作为串行通信的波特率发生器，T1 的溢出率经 2 分频(或不分频)后，再经 16 分频作为行发送或接收的移位脉冲。移位脉冲的频率即是串行通信的波特率。

此外，在接收缓冲器之前还有移位寄存器，从而构成了串行接收的双缓冲结构，以避免在数据接收过程中出现的帧重叠错误。在前一个字符从接收缓冲器SBUF取走之前，当前字符即开始串行的方式被接收到移位寄存器。但是，在当前字符接收完毕之后，如果前一个字符还未被读取时，前一个字符就会被当前字符覆盖。与接收数据情况不同，在发送数据时，由于CPU是主动的，不会发生重叠错误，因此发送电路不需要双缓冲结构，以保持最大的传送速率。
串行口的发送和接收都是以特殊功能寄存器SBUF的名义进行读或写的当向SBUF写数据(执行“MOV SBUF，A”)时，即开始启动一个字符的发送，发送完毕置发送中断标志位(TI=1)。在满足接收中断标志位 RI=0的条件下，只要置接收使能位 REN=1，就会启动一个字符的接收过程。一个字符接收完毕，自动置接收中断标志位(RI=1)，同时将移位寄存器中所接收的字符移送到接收缓冲器SBUF 中。执行“MOV A ，SBUF”时，便由接收缓冲器将接收的字符送到累加器A中。

五.串行口的控制

MCS-51的串行口是可编程接口，通过对两个特殊功能寄存器SCON和PCON的初始化编程，可以实现对串行口的控制。

1.串行口控制寄存器(SCON)

SCON 是一个可位寻址的专用寄存器，用于串行数据通信的控制。其单元地址为98H，位地址为98H~9FH。其内容及位地址表示如下:

•SM0、SM1:串行口工作方式选择位。

其状态组合所对应的工作方式如下:

•SM2:多机通信控制位。

因多机通信是在方式2和方式3下进行，因此SM2主要用于方式2和方式3。当串行口以方式2或方式3接收时，若SM2=1，只有当接收到的第九位数据(RB8)为1才将接收到的前8位数据送入 SBUF，并置接收中断标志 (RI=1)，产生中断请求;否则，将接收到的前 8 位数据丢弃。而当 SM2-0 时，则不论第九位数据 (RB8)为0还是1，都将前8位数据装入 SBUF 中，并产生中断请求。在方式0中，SM2必须为0。

•REN:接收使能位。
REN位用于对串行口数据的接收进行控制，该位由软件置位或清除。当REN=0时禁止接收;REN=1时，允许接收。

•TB8:发送数据的第九位。

在方式 2和方式 3中，根据需要由软件进行置位和复位。双机通信时该位可作奇校验位:在多机通信中可作为区别地址或数据的标识位。一般约定 TB8-1 时为地址帧，TB8=0时为数据帧。

•RB8:接收数据的第九位。

在方式2和方式3中，RB8 存放接收到的第九位数据。其功能类似于 TB8(例如可能是奇偶位，或是地址/数据帧标识)
•TI:发送中断标志位。
在方式0中，发送完 8 位数据后，由硬件置位;在其他方式中，在发送停止位之前由硬件置位。TI=1时，表示发送结束，其状态既可申请中断，也可供软件查询使用TI位必须由软件清0。
RI:接收中断标志位。
在方式0时，接收完8位数据后，由硬件置位;在其他方式中，在接收停止位的中间由硬件置位。RI=1时，表示接收结束，其状态既可申请中断，也可供软件查询使用RI位必须由软件清0。

2.电源控制寄存器(PCON)

PCON 寄存器主要是为 CHMOS 型单片机的电源控制而设的专用寄存器，单元地址为87H，其格式如下:

在HMOS单片机中，该寄存器中除最高位之外，其他位都是虚设的。最高位 SMOD是串行口波特率倍增位。当SMOD=1 时，串行口波特率加倍。系统复位时，SMOD=0。

六.波特率的设计

在串行通信中，收发双方对发送或接收的数据速率(即波特率)要有一定的约定。通过软件对串行口编程可约定为4种工作方式，其中方式0和方式2的波特率是固定的，而方式1和方式3的波特率是可变的，由定时器1的溢出率来控制。

1.方式0的波特率
在方式0中，每个机器周期接收或发送一位数据，因此波特率的数值固定为时钟频率数值()的1/12，且不受SMOD的影响。

2.方式2的波特率

串行口方式2的波特率取决于PCON中SMOD的值，当SMOD-0时，波特率为/的1/64:若SMOD=1，则波特率为的 1/32，即:

3.方式1和方式3的波特率
方式1和方式3的波特率由定时器T1的溢出率与SMOD的值决定，即:

常用的波特率初值：

七.串行口的工作方式

根据需要，MCS-51单片机的串行口可设置四种工作方式，可有8 位、10位或11 位帧格式。

1.方式0

在方式0下，串行口是作为同步移位寄存器使用。这时以RXD(P3.0)端作为数据移入的入口和出口，而由TXD(P3.1)端提供移位脉冲。移位数据的发送和接收以8位为一帧，不设起始位和停止位，低位在前高位在后。这种方式常用于扩展I/O口。

2.方式1

工作方式1真正用于串行发送和接收，为 10 位通用异步接口。TXD(P3.1)用于发选数据，RXD(P3.0)用于接收数据。接收或发送一帧数据的格式为:1位起始位，8位数据位和1位停止位，其波特率可调。
发送时，数据从TXD(P3.1)引脚输出，当数据写入发送缓冲器SBUF时，就启动发送。发送完一帧数据后，由硬件将TI置1，并申请中断，通知CPU可以发送下一个数据。

接收时，由软件使 REN 置1允许接收，串行口采样脚 RXD(P3.0)。当采样到由1至0的跳变时，确认是起始位“0”，就开始接收一帧数据。当停止位来到之后将停止位送入RB8位，由硬件将RI置1,并申请中断，通知CPU从SBUF取走接收到的一个数据。

3.方式2与方式3

在工作方式2下，串行口为11 位格式的异步通信接口。接收或发送一数据的格式为:1个起始位，8位数据位，1位可编程位和1位停止位。波特率与SMOD有关。
发送前，先根据通信协议由软件设置 TB8(如作奇偶校验位或地址/数据标志位），然后将要发送的数据写入SBUF即能启动发送。“写SBUF”指令把8位数据装入SBUF的同时，还把TB8装入发送移位寄存器的第9位上，然后从TXD(P3.1)端输出，一帧数据发送完后，由硬件将TI置1，并申请中断。
接收时，先将 REN 置1，使串行口处于允许接收状态，同时还要将RI清0在演是此条件的前提下，再根据SM2的状态和所接收到的 RB8 的状态决定行口在数据到来后是否使RI置1，并申请中断，接收信息。
当SM2=0时，不管RB8为0还是为1，RI都置1，接收发来的信息，并申请中断。

当SM2=1，且RB8为1时，表示在多机通信的状态下，接收的信息为地址帧，此时RI置1，串行口接收发来的地址，并申请中断。

当SM2=1，且RB8为0时，表示接收的信息为数据帧，但不是发给本从机的，此时RI不置1，因而SBUF中所接收的数据将丢失。
方式3同样是11位为一帧的串行通信方式，其通信过程与方式2完全相同，所不同的仅仅是波特率。