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PC机之间串口通信的实现
一、实验目的
１．熟悉微机接口实验装置的结构和使用方法。
２．掌握通信接口芯片8251和8250的功能和使用方法。
３．学会串行通信程序的编制方法。

二、实验内容与要求
１．基本要求
主机接收开关量输入的数据（二进制或十六进制），从键盘上按“传输”键（可自行定义），就将该数据通过8251A传输出去。终端接收后在显示器上显示数据。具体操作说明如下：
（１）出现提示信息“start with R in the board!”，通过调整乒乓开关的状态，设置8位数据；
（２）在小键盘上按“R”键，系统将此时乒乓开关的状态读入计算机I中，并显示出来，同时显示经串行通讯后，计算机II接收到的数据；
（３）完成后，系统提示“do you want to send another data? Y/N”，根据用户需要，在键盘按下“Y”键，则重复步骤（1），进行另一数据的通讯；在键盘按除“Y”键外的任意键，将退出本程序。
２．提高要求
能够进行出错处理，例如采用奇偶校验，出错重传或者采用接收方回传和发送方确认来保证发送和接收正确。

三、设计报告要求
１．设计目的和内容
２．总体设计
３．硬件设计：原理图（接线图）及简要说明
４．软件设计框图及程序清单
５．设计结果和体会（包括遇到的问题及解决的方法）

四、8251A通用串行输入/输出接口芯片
由于CPU与接口之间按并行方式传输，接口与外设之间按串行方式传输，因此，在串行接口中，必须要有“接收移位寄存器”（串→并）和“发送移位寄存器”（并→串）。能够完成上述“串←→并”转换功能的电路，通常称为“通用异步收发器”（UART：Universal Asynchronous Receiver and Transmitter）,典型的芯片有：Intel 8250/8251。
8251A异步工作方式：
如果8251A编程为异步方式，在需要发送字符时，必须首先设置TXEN和CTS#为有效状态，TXEN(Transmitter Enable)是允许发送信号，是命令寄存器中的一位；CTS#(Clear To Send)是由外设发来的对CPU请求发送信号的响应信号。然后就开始发送过程。在发送时，每当CPU送往发送缓冲器一个字符，发送器自动为这个字符加上1个起始位，并且按照编程要求加上奇／偶校验位以及1个、1.5个或者2个停止位。串行数据以起始位开始，接着是最低有效数据位，最高有效位的后面是奇／偶校验位，然后是停止位。按位发送的数据是以发送时钟TXC的下降沿同步的，也就是说这些数据总是在发送时钟TXC的下降沿从8251A发出。数据传输的波特率取决于编程时指定的波特率因子，为发送器时钟频率的1、1/16或1/64。当波特率指定为16时，数据传输的波特率就是发送器时钟频率的1/16。CPU通过数据总线将数据送到8251A的数据输出缓冲寄存器以后，再传输到发送缓冲器，经移位寄存器移位，将并行数据变为串行数据，从TxD端送往外部设备。
在8251A接收字符时，命令寄存器的接收允许位RxE(Receiver Enable)必须为1。8251A通过检测RxD引脚上的低电平来准备接收字符，在没有字符传送时RxD端为高电平。8251A不断地检测RxD引脚，从RxD端上检测到低电平以后，便认为是串行数据的起始位，并且启动接收控制电路中的一个计数器来进行计数，计数器的频率等于接收器时钟频率。计数器是作为接收器采样定时，当计数到相当于半个数位的传输时间时再次对RxD端进行采样，如果仍为低电平，则确认该数位是一个有效的起始位。若传输一个字符需要16个时钟，那么就是要在计数8个时钟后采样到低电平。之后，8251A每隔一个数位的传输时间对RxD端采样一次，依次确定串行数据位的值。串行数据位顺序进入接收移位寄存器，通过校验并除去停止位，变成并行数据以后通过内部数据总线送入接收缓冲器，此时发出有效状态的RxRDY信号通知CPU，通知CPU8251A已经收到一个有效的数据。一个字符对应的数据可以是5～8位。如果一个字符对应的数据不到8位，8251A会在移位转换成并行数据的时候，自动把他们的高位补成0。

五、系统总体设计方案
根据系统设计的要求，对系统设计的总体方案进行论证分析如下：
1．获取8位开关量可使用实验台上的8255A可编程并行接口芯片，因为只要获取8位数据量，只需使用基本输入和8位数据线，所以将8255A工作在方式0，PA0-PA7接实验台上的8位开关量。
2．当使用串口进行数据传送时，虽然同步通信速度远远高于异步通信，可达500kbit/s，但由于其需要有一个时钟来实现发送端和接收端之间的同步，硬件电路复杂，通常计算机之间的通信只采用异步通信。
3．由于8251A本身没有时钟，需要外部提供，所以本设计中使用实验台上的8253芯片的计数器2来实现。
4：显示和键盘输入均使用DOS功能调用来实现。
设计思路框图，如下图所示：
各 模 块 初 始 化
8位数据量采集显示
数 据 经 串 口 发 送
另 一 PC 接 收 数 据
显 示

六、硬件设计
硬件电路主要分为8位开关量数据获取电路，串行通信数据发送电路，串行通信数据接收电路三个部分。
1．8位开关量数据获取电路
该电路主要是利用8255并行接口读取8位乒乓开关的数据。此次设计在获取8位开关数据量时采用8255令其工作在方式0，A口输入8位数据，CS#接实验台上CS1口，对应端口为280H-283H，PA0-PA7接8个开关。
2．串行通信电路
串行通信电路
本设计中8253主要为8251充当频率发生器，接线如下图所示。

如图，8251A的TxCLK和RxCLK均接8253的OUT0，8253的GATE0接地，CLK0接实验台上Q0，CS#接实验台上CS4（即290H-293H），8253采用0号计数器，工作在方式3下，输出方波信号给8251A作为时钟信号。

七、系统软件设计
软件设计主要由主程序、串口通信发送端子程序、串口通信接收端子程序及8253波特率设置子程序等组成，下面将对所涉及到的程序进行逐一介绍。
1. 主程序
主程序主要包含以下部分：
1) 系统初始化：主程序首先对系统环境进行初始化，设置8251所需时钟频率，由8253提供，8253工作在方式3。
2) 键盘扫描：扫描键盘上是否有指定键输入，比如开始时扫描启动键R又比如程序最后查询是否继续：
3）获取数据：采用8255，工作在方式0，A口输入8位开关数据量
4）传送数据：采用8251A芯片，使用异步传送方式，8位数据无校验，2位停止位，波特率因子为64。当未接接收端机器时，可使用示波器观测输出数据波形。本设计中，串行传输的数据格式规定如下：
一位逻辑‘0’的起始位，8位数据位（由低位开始传输），2位逻辑‘1’停止位。传输波特率9600baut。数据信号的串行输出送示波器，可观察数据波形。
5）接收并检测数据：接收数据后检测数据是否出错，若出错则在屏幕上显示出错信息。

主程序的框图如下：

显示出错信息
正确
退出
是
传送数据
获取数据
是
否
开始
系统初始化
显示欢迎信息
R是否按下
接收并检测
是否继续

错误
否

2. 串口数据发送的实现
本设计采用异步传送方式，8位数据无校验位，2位停止位，波特率因子为64。
8251A的初始化与其他芯片有个很重要的不同之处，在8251A的方式字和命令字写入之前需要先进行一次复位，一般采用先送3个00H，再送40H的方法，这是8251A的编程约定。
当复位完之后，由于8251A芯片只提供2个分别用于命令寄存器和数据寄存器的可访问地址，所以按照约定第一次写入奇地址的是方式选择字。如果编程8251A的工作方式为同步方式，紧接着送入奇地址的是同步字。方式选择字还规定了同步字的个数，必须根据方式字的设定，向奇地址写入1个或按顺序写入2个同步字。
之后，写入奇地址的数据一概被认为是命令字。命令字中如果包含复位命令，8251A被复位。其后送入奇地址的字节又被认为是方式字。命令字中如果不包含复位命令，初始化完毕，便可以开始使用偶地址传送数据。
串行接口和CPU的数据交互方式定义为状态查询方式，也就是说CPU是采用查询方式来和串行接口通信的，通过不断对串行接口的状态采样来确定串行接口的状态，从而决定应该采取什么样的动作。只有当状态字的D2位发送缓冲器空为1、D0位发送就绪为1时才进行下一数据发送，同样当状态字的D1位接收就绪为1时才进行下一数据的接收。
8251A串口数据发送程序流程图如下图所示：

是
是
设置8251A数据口地址
取出数据
传送数据
继续传送吗？
返 回
否
读取8251A状态字
设置8251A工作方式
设置8251A操作命令
取数据段偏移地址
开 始
复位8251A
发送器空吗？
否

3. 串口通信数据接收的实现
8251A串口数据接收程序流程图如下：

否
否
是
显示出错信息
是
设置8251A数据口地址
接收数据
显示数据并保存
数据出错？
返 回
读取8251A状态字
设置8251A工作方式
设置8251A操作命令
取数据接收区首地址
开 始
复位8251A
RxRDY为1？