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1、第7章 串行接口,7.1 串行通信的基本概念,一、数据通信的概念 通信是指计算机与外界的信息传输，既包括计算机与计算机之间的传输，也包括计算机与外部设备，如终端、打印机和磁盘等设备之间的传输。在通信领域内，有两种数据通信方式：并行通信和串行通信。 1. 并行通信 并行通信是数据的各位同时进行传送（发送或接收）的通信方式。其优点是数据传送速度快；缺点是数据有多少位，就需要多少根传送线。 2. 串行通信 数据在单条一位宽的传输线上，一比特接一比特地按顺序传送的方式称为串行通信。随着通信技术和计算机网络技术的发展、Internet网的普及，计算机远程通信已渗透到国民经济的各个领域，而远程通信绝大多数
2、采用串行通信的方式，所以了解和研究串行通信中的概念和技术有非常重要的意义。,二、串行通信中数据的传输方式 在串行通信中，数据通常是在两个站（如终端和微机）之间进行传送，按照数据流的方向可分成三种基本的传送方式：全双工、半双工、和单工。但单工目前已很少采用，下面仅介绍前两种方式。 如果在通信过程的任意时刻，信息只能由一方A传到另一方B，则称为单工。 如果在任意时刻，信息既可由A传到B，又能由B传A，但只能由一个方向上的传输存在，称为半双工传输。 如果在任意时刻，线路上存在A到B和B到A的双向信号传输，则称为全双工。,7.1 串行通信的基本概念,三、 串行通信的两种基本通信方式 按照串行数据的时钟
3、控制方式，串行通信可分为同步通信方式和异步通信方式。 1. 异步通信 异步通信的特点是数据在线路上的传送是不连续的。在异步通信中，数据或字符是一帧一帧地被传送。在帧格式中，一个字符由四个部分组成：起始位、数据位、奇偶校验位和停止位。起始位占有一位，用低电平“0”表示；数据位可以是58位；奇偶校验位占一位，该位可以省略或者作其它控制位使用，因此该位可以根据需要设置；停止位表示一个字符的结束，它一定是高电平“1”，停止位可以是1位、1.5位或2位。接收端收到停止位后，知道上一个字符已经传送完毕，同时，也为接受下一个字符做好准备。若字符是间断传送，则在两个字符间插入若干个空闲位。空闲位为高电平，表示
4、线路处于等待状态。异步通信格式见图7-3。,7.1 串行通信的基本概念,7.1 串行通信的基本概念,2. 同步通信 在同步通信中，发送器和接收器由同一个时钟控制，如图7-4(a）所示。同步传送时，字符与字符之间没有间隙，也不用起始位和停止位，仅在要传送的数据块开始传送前用同步字符SYNC来指示，其数据格式如图7-4(b）所示。,7.1 串行通信的基本概念,四、串行通信的传送速率 1. 波特率 串行通信中，传输速率在基波传输的情况下（不加调制，以其固有的频率传送）是用每秒钟传送的位数（bits）即波特率来表示。因此，1波特=1位秒。 最常用的标准波特率是110、300、1000、1200、240
5、0、4800、9600和19200波特。CRT终端能处理9600波特的传输，打印机终端速度较慢，点阵打印机一般也只能以2400波特的速率来接收信号。 2. 波特率误差 假设传递的数据一帧为10位，若发送和接收的波特率达到理想的一致，那么接收方对数据的采样都将发生在每位数据有效时刻的中点。如果接收一方的波特率比发送一方大或小5%，那么对10位一帧的串行数据，时钟脉冲相对数据有效时刻逐位偏移，当接收到第10位时，积累的误差达到50%，则采样的数据已是第10位数据的有效与无效的临界状态，这时就可能发生错位，所以5%是10位一帧串行传送的最大的波特率允许误差。,7.1 串行通信的基本概念,五、串行通信
6、的校验 在通信当中,不可避免会有干扰、线路故障等因素的存在。为了保证数据传送的正确性，对数据进行校验是通信中非常重要的环节。常用的校验方法有奇偶校验、校验和、循环冗余码校验。 奇偶校验方法：发送时在每个数据的最高位之后附加一个奇偶校验位。这个校验位可以是“1”或“0”, 以保证整个数据(包括校验位） 的“1”的个数为偶数(偶校验） 或为奇数(奇校验）,接收时接收端在接收完一帧数据之后, 对每个数据也进行校验, 如满足事先约定的奇偶性, 则表明数据传输正确, 否则就表示传输出现了错误。 校验和：发送方将所发送的所有数据按字节求和(超出8位二进制只取低8位），产生1个字节的校验字节(即校验和），发
7、送完数据块的所有数据后再发送这1个字节。接收方把所接收的所有数据同样求和，与发送方发送的校验和进行比较以判断传送的正确性。 循环冗余码(CRC）校验：又称为多项式码，CRC的工作方法是在发送端产生一个冗余码，附加在信息位后面一起发送到接收端，接收端收到的信息按发送端形成循冗余码同样的算法进行校验，如果发现错误，则通知发送端重发。,7.1 串行通信的基本概念,7.2 单片机串行接口及控制寄存器,一、串行口结构 MCS-51单片机内部含有一个可编程的全双工通信串行接口（简称串行口），该接口电路不仅能同时进行数据的发送和接收，也可以作为一个同步移位寄存器使用。该串行口通过引脚RXD（P3.0，串行数
8、据接收端）和引脚TXD（P3.1,串行数据发送端）与外界进行通信。MCS-51单片机串行口内部简化结构示意图如图7-5。串行口的接收和发送由三个特殊功能寄存器进行控制。它们分别是串行口缓冲寄存器SBUF、串行口控制寄存器SCON和电源控制寄存器PCON。,1. 串行口缓冲寄存器SBUF 串行口缓冲寄存器SBUF是一个字节地址为99H的特殊功能寄存器，用来存放将要发送或接收的数据。在物理结构上，它对应着发送缓冲寄存器和接收缓冲寄存器，它们公用同一个地址。CPU通过读或写来区别究竟对哪一个缓冲寄存器进行操作，即发送缓冲寄存器只能写入不能读出，接收缓冲寄存器只能读出不能写入。当CPU向SBUF发出写
9、命令如“MOV SBUF ,A”表示将A中数据写入发送缓冲寄存器，同时也启动数据按一定的波特率发送；而当执行读SBUF命令时，如“MOV A, SBUF”则表示将接收到的数据从接收缓冲寄存器读出送入A中。 2. 串行口控制寄存器SCON,7.2 单片机串行接口及控制寄存器,SCON寄存器各位的含义如下： SMO、SM1:串行口方式选择位，用于设定串行口四种工作方式，见下表。 SM2:在方式2或方式3中用作多机通信控制位。SM2一般情况下设置为0。若用于多机通信，SM2可设置为1。当SM2=1时，从机根据接收到的第9位数据是1还是0来决定是否接收主机的信号。当第9位RB8=1时，从机接收主机发来
10、的信号；当RB8=0时，从机不接收主机信号。,7.2 单片机串行接口及控制寄存器,REN:允许串行接收控制位。由软件置1或0。若REN=1，则启动串行口接收数据；若REN=0，则禁止接收。 TB8:在方式2和方式3中，它是准备发送的第9位数据位，根据需要可用软件置1或清0。它可以作为数据的奇偶校验位，或在多机通信中作为地址或数据的标志。 RB8:在方式2和方式3中，它是接收到的第9位数据位，它可以是约定的奇偶校验位，或者是约定的地址数据标志位。在方式1中，SM2=0，RB8中存放的是已经接收到的停止位。方式0中不使用RB8。 TI：发送中断标志位。在方式0中，串行发送第8位数据结束时，由硬件电
11、路对其置位。在其它工作方式中，串行发送至一帧数据的停止位时，由硬件电路对TI置位。TI置位表示一帧数据发送完毕。通常可用软件查询TI的状态，以便知道一帧数据是否发送完毕。也可以采用中断方式，当TI=1时向CPU申请中断，CPU相应中断，准备发送下一帧信息。TI置位后不会自动复位，必须由软件清0。 RI:接收中断标志位。在方式0中，当串行接收第8位数据结束时，或在其它方式，串行接收停止位的中间时，由内部硬件使RI置1。可以采用软件查询RI的状态，以便知道一帧数据是否接收完毕，也可以采用中断方式，当RI=1时向CPU申请中断。RI置位后不会自动复位，必须由软件清0。,7.2 单片机串行接口及控制寄
12、存器,3. 电源控制寄存器PCON,SMOD称为波特率选择位。在方式1、方式2和方式3中，若SMOD=1，则波特率提高一倍；若SMOD=0，则波特率不加倍。单片机复位时，SMOD=0。,7.2 单片机串行接口及控制寄存器,7.3 单片机串行口的工作方式,一、方式0 方式0为移位寄存器输入/输出方式。可外接移位寄存器以扩展I/O口，也可以外接同步输入/输出设备。8位串行数据都是从RXD端输入或输出，TXD用来输出同步脉冲。 发送 当执行一条“MOV SBUF，A”指令时，启动发送操作，由TXD输出移位脉冲，由RXD串行发送SBUF中的数据。发送完8位数据后自动置TI=1，请求中断。要继续发送时，
13、T1必须用指令清零。 接收 在RI=0条件下，置REN=1，启动一帧数据的接收，由TXD输出移位脉冲，由RXD接收串行数据到A中。每接收8位数据RI自动置位，请求中断。想继续接收时，要用指令清零RI。 波特率 方式0的波特率固定为晶振频率的1/12。,7.3 单片机串行口的工作方式,二、方式1 方式1为波特率可变的10位异步通信接口方式。发送或接收一帧信息，包括1个起始位0，8个数据位和1个停止位1。 1. 发送 当执行一条“MOV SBUF，A”指令时，启动发送操作，A中的数据从TXD端实现异步发送。发送完一帧数据后自动置TI=1，请求中断。要继续发送时，TI必须用指令清零。 2. 接收 当
14、置REN=1时，串行口采样RXD，当采样到1至0的跳变时，确认串行数据帧的起始位，开始接收一帧数据，直到停止位到来时，把停止位送入RB8中。置位RI请求中断。CPU取走数据后用指令清零RI。 3. 波特率 使用定时器T1作为串行口方式1和方式3的波特率发生器，定时器T1常工作于方式2，串行口方式1时波特率计算公式如下： 其中，X是定时器的初值。,7.3 单片机串行口的工作方式,三、方式2 方式2为固定波特率的11位UART方式。它比方式1增加了一位可程控为1或0的第9位数据。 1. 发送 发送数据之前，由指令设置TB8（如作为奇偶校对位或地址/数据位），将要发送的数据由A写入SBUF中启动发送
15、操作。在发送中，内部逻辑会把TB8装入发送移位寄存器的第9位位置，然后发送一帧完整的数据，发送完毕后置位TI。在发送下一帧信息之前，TI须由指令清零。 2. 接收 当置位REN且RI=0时，启动接收操作，帧结构上的第9位送入RB8中，对所接收的数据视SM2和RB8的状态决定是否使RI置位。 当SM2=0时，RB8不论什么状态RI都置1，串行口都接收数据。 当SM2=1时，为多机通信方式，接收到的RB8为地址/数据标识位。 当RB8=1时，接收的信息为地址帧，此时置位RI，串行口接收发送来的数据；当RB8=0时，接收的信息为数据帧，RI不会置位，此数据丢弃。,3. 波特率 在方式2下，波特率计算
16、公式如下： 四、方式3 方式3和方式2都具有多机通信功能，这两种方式除了波特率不同以外，其余完全相同。方式3的波特率算法和方式1相同。,7.3 单片机串行口的工作方式,7.4 串行口的应用,一、串行口扩展并行I/O口 1. 串行口方式0的应用 MCS-51单片机的串行口在工作方式0状态下使用移位寄存器可以扩展一个或多个8位并行I/O口。若串行口别无它用，即可用来扩展并行I/O口，这种方式不占用片外RAM地址，而且还能简化单片机系统的硬件结构。其缺点是：操作速度较慢。 （1）用74LS165扩展并行输入口 如图7-6所示是利用两片74LS165扩展两个8位并行输入口的实用电路。 74LS165是可并行输入的8位移位寄存器，当移位/置入端由1变为0时，并行输入（AH）的数据被置入移位寄存器。当S/ =1且时钟禁止端为低电平时，在时钟脉冲作用下，数据沿AH方向移动。 图中8051的TXD作为移位脉冲输出端与两片74LS165的移位脉冲输入端CLK相连，RXD作为串行输入端与74LS165的串行输出端相连，P1.0作为移位/置入控制端信号与74LS165的S/ 端相连。74LS1
