单片机原理-输入-输出中断定时与串行通信.pptx

本章内容提要 介绍I/O的基本概念、I/O数据传递方式，中断的基本概念，串行通信基本概念。主要介绍单片机中断系统结构、特点及使用方法；片内定时器/计数器结构、原理及使用；片内串行口结构、原理以及双机和多机通信实现方法；PC机与单片机通信实现方法。4.1 I/O4.1 I/O概述概述4.1.1 I/O4.1.1 I/O的概念的概念 在单片机内部结构中，除了CPU之外，单片机集成有内部数据寄存器、程序存储器、定时器/计数器、并行I/O口、串行口、中断控制系统等。CPU通过内部总线与片内的I/O连接，通过片内I/O，单片机可与外设或单片机系统交换信息。此外，单片机可以由P0、P2和P3口构成外部总线，扩展外部I/O，构成更加复杂的系统，满足实际应用的需求。1.1.接口与端口接口与端口 接口是CPU与外设之间交换信息的连接部件，也称为接口电路。接口电路通常包含有数据寄存器用来保存输入/输出数据、状态寄存器保存接口的状态信息、控制寄存器保存单片机的控制命令等。数据的I/O操作通过数据寄存器的操作完成。通常接口电路中可编址并能进行读写操作的寄存器称为端口或简称口。一个接口电路中可能包括多个口，例如数据口、状态口、控制口，即包含有多个口地址。同一单片机系列中，片内集成的I/O模块各有不同，当片内I/O不能满足实际需求时，可扩展外部I/O。2.I/O2.I/O的分类的分类 按照信号的传递方式，可将I/O分为串行和并行两类。按照I/O连接的信号大致可分为模拟量、数字量、脉冲量I/O三类。3.3.数据总线隔离技术数据总线隔离技术 为了正确地进行数据的I/O传递，必须解决数据总线的隔离问题，即在任一时刻，CPU只对一个I/O进行操作。为此，对输出设备的接口电路要使用锁存器，对输入设备的接口电路，使用三态缓冲器。4 4 单片机单片机I/OI/O编址方式编址方式 每一个I/O都需要编址，以便CPU分别进行寻址。常用的I/O编址方式有两种：独立编址方式和统一编址方式。独立编址方式:I/O和存储器分开编址，有各自独立的地址空间，采用不同的控制总线，使用不同的指令分别寻址。统一编址方式:I/O与数据存储器在同一地址空间编址，寻址方式相同，采用相同的地址、数据、控制总线，使用相同的指令寻址。4.1.2 4.1.2 输入输入/输出的传递方式输出的传递方式 单片机系统中有不同类型的I/O，由于I/O所连接的外设或I/O接口本身的速度与CPU的处理速度相比，通常低于CPU的速度，为了实现数据的正确传输，CPU通常采用三种控制方式，即无条件传送方式、查询方式和中断控制方式。1.1.无条件传送方式无条件传送方式 I/O或与I/O连接的外设随时都处于准备好状态，这时CPU不需要测试外设状态，随时直接对其进行操作。2.2.查询方式查询方式 I/O接口或外设的状态以适当的方式输入CPU，CPU通过对状态信号的查询，在判别外设准备好之后，对其进行输入/输出操作。查询方式的特点：实现简单，通用性强，适合各种设备数据的输入/输出；其缺点是需要占用CPU的时间，外设速度较慢时，效率较低。图4.1 查询方式流程图 3.3.中断方式中断方式 中断方式下外设的状态信号以中断申请方式输入CPU。CPU响应中断，暂停正在执行的程序，转而执行中断服务程序，在中断服务程序中对外设进行输入/输出操作，中断返回后，再继续执行被中断的程序。中断方式可提高单片机系统的效率，特别适用于电池供电的低功耗系统。4.2 MCS-514.2 MCS-51单片机的中断系统单片机的中断系统 中断是一项重要的计算机技术。当CPU正在处理某件事时，外界发生了紧急事件请求，要求CPU暂停当前的工作，转而去处理这个紧急事件。处理完后再回到原来被中断的位置，继续原来的工作，这一过程称为中断，实现这种功能的部件称为中断系统。当多个中断源同时向CPU申请中断时，CPU将根据每个中断源的优先级，优先响应级别最高的中断请求。当中断系统有多个中断优先级时，CPU暂停较低级的中断服务程序，转而处理优先级更高的中断请求源，处理完后再处理较低级的中断服务程序，这样的过程称为中断嵌套。这样的中断系统称为多级中断系统。51系列单片机的中断系统有5个中断源：2个外部中断源、2个定时器中断源和一个串行口中断源，具有两个中断优先级，可实现两级中断服务程序嵌套。图4.2 二级中断嵌套 4.2.1 4.2.1 中断系统的结构中断系统的结构 单片机中断控制系统的结构如图4.3，中断控制系统由中断源、中断选择、中断标志、中断允许寄存器（中断源允许、全局中断允许）、中断优先级寄存器和查询电路组成。图4.3 中断控制系统的结构 5个中断源符号、名称及产生条件分别为：(1)INT0.：外部中断0，由P3.2管脚输入，低电平或下降沿有效。通过设置定时器控制寄存器TCON的相应控制位选择。(2)INT1：外部中断1，由P3.3管脚输入，低电平或下降沿有效。通过设置定时器控制寄存器TCON的相应控制位选择。(3)T0：定时器/计数器0中断，由T0回零溢出有效。(4)T1：定时器/计数器1中断，由T1回零溢出有效。(5)TI/RI：串行口完成一帧数据的发送/接收后有效。中断产生时，对应的中断标志位被置位为“1”，当中断响应时，由硬件复位或在中断服务程序中，用软件复位清除中断标志。串行口中断为发送和接收共用，当串行口中断时，通过查询定时器工作方式控制寄存器TMOD中的TI和RI判别是发送还是接收中断，并用软件复位中断标志。中断系统的控制通过对特殊功能寄存器的操作完成。1.定时器控制寄存器定时器控制寄存器TCON TCON为特殊功能寄存器，字节地址为88H，可位操作，位地址由低位到高位为88H8FH。对TCON的设置可完成定时器的运行控制和外部中断触发方式的选择，同时，定时器和外部中断发生时，会影响TCON的中断请求标志位。TCON的格式如下：TCON每一位的功能如下：(1)IT0(TCON.0)和IT1(TCON.2)：外部中断中断触发方式控制位。IT0(IT1)=0，电平触发方式，低电平触发；IT0(IT1)=1，脉冲触发方式，下降沿触发。(2)IE0(TCON.1)和IE1(TCON.3)：外部中断请求标志位。IE0(IE1)=0，无中断请求；IE0(IE1)=1，有中断请求。当中断触发信号为下降沿有效时，IE0(IE1)由硬件置位为“1”，中断响应时，硬件自动复位为“0”；电平触发方式下，IE0(IE1)标志由外部触发信号控制，不由片内硬件控制。当中断触发信号为低电平信号时，IE0(IE1)=1，当中断触发信号为高电平信号时，IE0(IE1)=0。(3)TF0(TCON.5)和TF1(TCON.7)：定时器/计数器0和定时器/计数器1溢出中断请求标志位。TF0(TF1)=0，无中断请求；TF0(TF1)=1，有中断请求。当定时器/计数器0(定时器/计数器1)溢出时，硬件置位TF0(TF1)=1，中断响应时片内硬件自动复位TF0(TF1)=0。查询TF0(TF1)时，需用软件复位TF0(TF1)=0。(4)TR0(TCON.4)和TR1(TCON.6)：定时器/计数器0和定时器/计数器1运行控制位。TR0(TR1)=0，关闭定时器/计数器；TR0(TR1)=1，打开定时器/计数器。2.中断允许寄存器中断允许寄存器IE 中断允许寄存器IE为两级允许控制（如图4.3所示）：第一级为局部中断允许，可选择某个或几个中断源允许中断，第二级为全局允许。只有当全局中断允许有效时，局部中断允许的中断信号才可以申请中断。IE在特殊功能寄存器中，可位操作。字节地址为0A8H，位地址由低位到高位为A8HAFH。IE的格式如下：IE寄存器的每个位信号定义为：(1)EX0(IE.0)和EX1(IE.2)：外部中断允许控制位。EX0(EX1)=0，外部中断禁止；EX0(EX1)=1，外部中断允许。(2)ET0(IE.1)和ET1(IE.3)：定时器/计数器0和定时器/计数器1中断允许控制位。ET0(ET1)=0，定时器/计数器禁止中断；ET0(ET1)=1，定时器/计数器允许中断。(3)ES(IE.4)：串行口中断允许控制位。ES=0，串行口禁止中断；ES=1，串行口允许中断。(4)EA(IE.7)：全局中断允许控制位。EA=0，禁止全局中断；EA=1，允许全局中断。(5)IE.5、IE.6：保留位。3.串行口控制寄存器串行口控制寄存器SCON 串行口控制寄存器SCON在特殊功能寄存器中，可位操作。字节地址为98H，位地址由低位到高位为98H9FH。SCON的格式如下：与中断有关的控制位有2位：(1)RI(SCON.0)：串行口接收中断标志位。当接收完一帧数据后，由硬件置位为“1”。中断响应后，在中断服务程序中须用软件复位为“0”。(2)TI(SCON.1)：串行口发送中断标志位。当发送完一帧数据后，由硬件置位为“1”。中断响应后，在中断服务程序中须用软件复位为“0”。4.中断优先级控制寄存器中断优先级控制寄存器IP 每个中断源有两个优先级，可用程序对中断优先级控制寄存器IP的控制位置位或复位来选择。特殊功能寄存器IP的字节地址为B8H，位地址由低位到高位为B8HBFH。IP的格式如下：与中断优先级有关的控制位有5位：(1)PX0(IP.0)和PX1(IP.2)：外部中断0和外部中断1中断优先级控制位。PX0(PX1)=0，低优先级；PX0(PX1)=1，高优先级。(2)PT0(IP.1)和PT1(IP.3)：定时器/计数器0和定时器/计数器1中断优先级控制位。PT0(PT1)=0，低优先级；PT0(PT1)=1，高优先级。(3)PS(IP.4)：串行口中断优先级控制位。PS=0，低优先级；PS=1，高优先级。(4)IP.5IP.7：保留位。51系列单片机中，两个优先级的结构可实现中断嵌套服务，中断优先级的控制原则：(1)高优先级中断请求可以打断低优先级中断服务形成中断嵌套 (2)同级中断之间不能形成中断嵌套 (3)同级中断源有多个同时向CPU请求中断时，CPU的响应顺序为：外部中断0定时中断0外部中断1定时中断1串行口中断 4.2.2 中断系统的初始化与中断控制寄存器的设置 中断控制系统中，系统上电或复位时，控制寄存器均被复位，所有中断均被禁止。因此，用户需根据自己的需要对上述4个控制寄存器赋值，即通过程序对中断系统进行初始化设置，以便使用中断系统。例如，外部中断初始化包括：外部中断触发方式设定、外部中断允许、全局中断允许，以及中断优先级控制。假设对外部中断0的初始化使用如下指令：MOV IE，#81H 或使用位操作指令：SETB EA SETB EX0 则结合复位时控制寄存器的状态，外部中断0被设置为低电平触发的低级中断源。4.2.3 中断响应过程 1.1.中断采样中断采样 单片机在每个机器周期的S5P2对中断标志进行采样，在下一个机器周期根据优先级顺序查询中断标志。如果中断标志在前一个机器周期的S5P2被置位，则后一个周期中断系统就可以发现这个中断请求信号。外部中断源为脉冲触发时，若INT0（INT1）管脚在一个机器周期为高电平，另一个机器周期为低电平，则TCON寄存器的中断请求标志IE0(IE1)将置位，标志位IE0(IE1)请求中断。由于外部中断管脚每个机器周期采样一次，因此，管脚上的高电平和低电平至少都要持续一个机器周期以上，以保证下降沿被采样到。2.中断响应中断响应 中断系统查询到有中断请求时，如果处于以下情形，系统将阻止长调用LCALL指令的执行而不运行中断服务程序：(1)同级或高优先级的中断响应正在执行中 (2)正在执行的指令未到指令最后一个周期，即当前指令未执行完 (3)当前指令是RETI或访问IE、IP寄存器 条件（2）保证在得到中断向量之前，运行指令必须完整执行。条件（3）保证执行RETI或访问IE、IP寄存器后，至少还要执行一条指令才能响应中断。在上述情形之外，当CPU查询到有效中断请求时，系统硬件将产生一条长调用指令LCALL，即将程序计数器值PC压入堆栈，把相应的中断入口地址装入PC，转到相应中断服务程序中去执行。各中断源的入口地址是：由于各中断入口地址之间仅相隔8个字节，不能存储较长的中断服务程序，通常在中断入口地址开始的单元中，安排一条转移指令，转移到相应中断源的中断服务程序中。3.中断响应时间中断响应时间 外部中断电平有效时，在机器周期的S5P2采样后锁存到IE0(IE1)，IE0(IE1)在下一个机器周期由电路查询，如果中断请求立刻响应，则中断服务程序成为下一条执行的指令。长调用指令自身需要2个机器周期，因此，从外部中断触发到中断服务程序第一条指令开始执行最少需要3个完整的机器周期。当前面所述的三个条件不满足，则中断响应需要更长的时间。如果指令是RETI或对寄存器IE和IP操作，则附加的等待时间不会多于5个周期，即最多一个周期完成当前指令，下一条指令为MUL或DIV再加4个周期。所以，一个中断发生时，中断响应时间为38个周期。4.中断请求的撤销中断请求的撤销 中断请求标志在中断响应后应当清除，以免一次中断申请被多次重复查询和响应。串行口中断请求标志需要在中断服务程序中用软件清除，定时器和外部中断的中断标志在响应后硬件自动复位清除。但外部中断为电平触发时，如果中断响应后，管脚仍为低电平，则会重新置位中断请求，为此可以在系统中增加辅助电路解决。图4.4 电平方式外部中断请求的撤销电路 并在中断服务程序中增加如下指令，使得的INT0输入变为高电平。ORLP1，#01HANLP1，#0FEH 5.5.软件模拟第三优先级中断软件模拟第三优先级中断 在某些应用中需要三个中断优先级，这时可用简单的软件方法产生第三优先级效果。首先，通过中断优先级寄存器IP可设置高优先级和低优先级分别为第一、第二优先级中断，然后在第二级中断服务程序中包含如下程序：PUSHIEMOVIE，#MASKCALLLABEL*执行第三级中断服务程序*POPRET LABEL:RETI 只要有中断响应，中断允许寄存器重新定义，禁止除第一优先级以外的中断，然后用CALL指令调用RETI指令，清除第二优先级中断标志位，则第二优先级中断允许中断服务。用POP指令恢复IE寄存器，RET终止中断服务程序。当晶振为12MHz时，附加的指令需要10s。4.3 4.3 定时器定时器/计数器计数器 定时器/计数器通常用于定时采样、顺序控制、数字时钟等。51系列单片机有两个16位的定时器/计数器：T0和T1。T0由两个8位的定时寄存器TH0和TL0构成16位寄存器，同样，T1由两个8位的定时寄存器TH1和TL1构成16位寄存器，它们分别映射在特殊功能寄存器中。TH0、TL0的地址分别为8CH、8AH，TH1和TL1的地址分别为8DH和8BH。（1）定时功能，定时寄存器每个机器周期自动加1，可以看作是机器周期的计数器。由于每个机器周期为12个时钟振荡周期，所以计数频率为振荡频率的1/12。（2）计数功能，定时寄存器在单片机外部引脚T0或T1有“1”到“0”的跳变时自动加1。外部输入在每个机器周期的S5P2被采样，当前一个机器周期采样为高电平，后一个机器周期采样为低电平时，计数器在下一个机器周期S3P1进行计数。由于一个下降沿的识别需要2个机器周期，故计数器最高计数频率为振荡频率的1/24。4.3.1 工作方式 无论作为定时器还是计数器，T0和T1都有4种工作方式：方式0、方式1、方式2和方式3。其中，T0和T1的前三种工作方式相同，方式3不同。下面以定时/计数器1为例分述四种工作方式的特点和用法。1 1方式方式0 0 13位计数方式。在方式0中，时间寄存器配置为13位寄存器，是为与MCS-48兼容而设置，由TH1的全部8位和TL1的低5位构成，TL1的高三位弃之不用，当寄存器中所有13位中的全“1”翻转为“0”时，设置定时器中断标志TF1。图4.5是定时器/计数器1在工作方式0的逻辑结构图。图4.5 定时器/计数器1方式0：13位计数器 C/T：定时/计数选择，由定时器工作方式特殊功能寄存器TMOD的位设置选择 C/T=0，T1为定时器，计数器对机器周期进行计数实现定时 C/T=1，T1为计数器，计数来自引脚T1的外部脉冲数 定时器/计数器是否启动受TR1、GATE和 引脚的控制，GATE和TR1由定时器工作方式控制寄存器TMOD和控制寄存TCON中相应的位状态确定。由图4.5中的逻辑电路可知：要启动定时/计数器，必须TR1=1，同时GATE=0或 引脚=1。通常设置GATE=0，用TR1的状态控制T1的工作。当GATE=1，TR1=1时，T1能否计数由引脚的输入状态控制，可以对INT1输入高电平脉冲宽度进行测量。定时器启动后，定时或计数脉冲加到TL1的低5位，从预先设置的初值（时间常数）开始计数，TL1计满后，向TH1进位，当TL1、TH1的13位都为1变为全0，即计数器溢出时，中断标志位TF1置“1”，表明定时时间或计数次数已到。在中断系统允许时，向CPU请求中断。方式0没有时间常数自动重装功能，如果需进一步定时/计数，需用指令重装时间常数。2 2工作方式工作方式1 1 16位计数方式。计数器由8位TL1和8位TH1构成，工作方式1与方式0仅计数器长度不同，其他均相同，如图4.6。图4.6 定时器/计数器1方式1：16位计数器 3 3工作方式工作方式2 2 8位计数器带时间常数自动重装功能。如图4.7。工作方式2与工作方式0、1的功能相同，只是由TL1构成8位计数器，TH1用来存放时间常数。图4.7 定时器/计数器1方式2：8位自动重装 启动时，TL1和TH1均装入相同的时间常数，当TL1计数器溢出时，中断标志TF1置“1”，同时，控制将TH1中的时间常数重新装入TL1中。与方式0和方式1相比，方式2采用的硬件重装时间常数，提高了定时精度，操作简便。缺点是定时/计数范围较小。4 4工作方式工作方式3 3 当T0为工作方式3时，TL0和TH0分别作为两个独立的8位计数器，其硬件逻辑框图如图4.8。TL0既可作定时器也可作计数器，并使用定时器0的控制位：C/T、GATE、TR0、和TF0。TH0锁定为定时器功能，并使用定时器1的控制位TR1和TH1，这时，TH0控制了“定时器1”的中断。图4.8 定时器/计数器0方式3：两个8位计数器 当定时器0工作于方式3时，单片机可看作有3个定时/计数器，这时定时器1只能工作于方式0、1或2，并且可以通过设置它是否为工作方式3来控制其计数器的启动和停止。由于这时的定时器1的中断请求标志已被定时器0占用，因而定时器1不能产生中断请求，故一般用于不要求产生中断的串行口的波特率发生器。4.3.2 定时器/计数器控制寄存器 1 1定时器控制寄存器定时器控制寄存器TCONTCON TCON寄存器既参与中断控制又参与定时控制。定时器通过设置控制TR位的状态控制定时器/计数器的启、停。TF标志定时/计数器是否溢出而请求中断。2 2工作方式控制寄存器工作方式控制寄存器TMODTMOD TMOD在特殊功能寄存器中，字节地址89H，不能位寻址。TMOD的格式为：TMOD的高4位用于T1，低4位用于T0，符号的定义如下：(1)GATE：门控位。GATE和软件控制位TR、外引脚（）的状态，共用控制定时器/计数器的启动和停止。(2)C/T：定时/计数器方式选择位。C/T 1为计数方式；C/T 0为定时方式。(3)M1 M0：工作方式选择位。M1 M000；方式0 M1 M001；方式1 M1 M010；方式2 M1 M011；方式3。3定时定时/计数器初值的求取计数器初值的求取 51系列单片机定时器/计数器采用增量式计数，其内部的计数器在定时器方式下对机器周期加“1”计数，在计数器方式下对外部引脚上的脉冲计数，计数器加满回零溢出时，置中断请求标志TF。在不同的工作方式下，定时器/计数器初值的计算方法基本相同，只是采用了不同长度的计数器，设置时间常数时略有不同。方式方式0，计数范围：18192(213)定时工作方式时，定时时间=(213-计数初值)晶振周期12 或 定时时间=(213-计数初值)机器周期 例4.1设单片机晶振频率fosc=6MHz，用定时器1以方式0、查询方式产生周期为500s的等宽方波脉冲，由P1.0输出。(1)确定计数初值X本题可在P1.0以250s交替输出高、低电平实现所需的脉冲，定时时间为250s。晶振频率6MHz对应的机器周期为2s。则：(213-X)210-6=25010-6 求得X=8067对应二进制X=1111110000011。高8位放入TH1，即TH1=11111100=FCH；低5位放入TL1，即TL1=00011=03H。(2)寄存器初始化 包括定时器初始化和中断系统初始化，主要对IP、IE、TCON、TMOD的相应位进行正确的设置，并将时间常数送入定时器。本例中，IE、TCON、TMOD均应初始化为00H。(3)程序设计本例假设系统是从复位开始运行，则IE、TCON、TMOD均不需要操作。MOVTH1，#0FCH；T1置初值MOVTL1，#03HSETBTR1；启动T1LOOP：JBCTF1，LOOP 1；T1溢出转LOOP1 SJMPLOOP；T1未溢出，继续查询LOOP1：MOVTH1，#0FCH；T1重新置初值MOVTL1，#03HCLRTF1；清T1溢出标志位CPLP1.0；输出取反SJMPLOOP；继续查询(3)程序设计本例假设系统是从复位开始运行，则IE、TCON、TMOD均不需要操作。MOVTH1，#0FCH；T1置初值MOVTL1，#03HSETBTR1；启动T1LOOP：JBCTF1，LOOP 1；T1溢出转LOOP1 SJMPLOOP；T1未溢出，继续查询LOOP1：MOVTH1，#0FCH；T1重新置初值MOVTL1，#03HCLRTF1；清T1溢出标志位CPLP1.0；输出取反SJMPLOOP；继续查询方式方式1，计数范围：165536(216)定时工作方式时，定时时间=(216-计数初值)晶振周期12 或 定时时间=(216-计数初值)机器周期 例4.2 将例4.1改以方式1实现。(1)确定计数初值X(216-X)210-6=25010-6 求得X=65411对应二进制X=1111111110000011。高8位放入TH1，即TH1=11111111=FFH；低5位放入TL1，即TL1=10000011=83H。(2)程序设计与例1程序对应，仅T1置初值程序不同，将对应的程序修改即可：MOVTH1，#0FFH；T1置初值MOVTL1，#83H方式方式2，计数范围：1256(28)定时工作方式时，定时时间=(28-计数初值)晶振周期12或 定时时间=(28-计数初值)机器周期与方式0和方式1不同，方式2为8位重装计数方式，所以，高8位计数器和低8位计数器在初始化时装入的是相同的计数初始值。在计数到之后，不需要软件重装计数初始值。4.4 4.4 单片机串行通信单片机串行通信 本节在介绍串行通信基础知识之后，介绍单片机串行口的结构、特点、工作方式以及单片机双机、多机、单片机与PC机之间的通信技术。4.4.1 串行通信基础 通常把计算机与外界的数据传输称为通信，计算机的数据通信方式有两种：并行通信和串行通信。并并行行通通信信是将数据以成组的方式在两条以上的并行通道上传输。它可以同时传输一组数据位，每个数据位使用单独的一条导线。因此，并行通信的物理信道为并行内总线或并行外总线。并行通信的特点是：硬件上有多根数据线，各数据位同时传送，速度快，效率高，传送距离通常小于30米。如计算机和外围设备之间的通信，CPU、存储器模块和设备控制器之间的通信等。串串行行通通信信中，数据流以串行方式逐位地在一条信道上传输，每次只能发送或接收一个数据位。串行通信的特点是：硬件上最少只需要一对传输线即可完成，数据传送按位进行，适用于数据位数多、远距离传输场合。串行通信使得设备之间的连线大为减少，但也带来了数据的串/并转换、并/串转换以及位计数等问题。串行通信有两种基本通信方式：同步通信和异步通信。1.1.串行异步通信帧格式串行异步通信帧格式 异步串行通信以字符为单位，以相同的帧格式传送。每一帧信息由起始位，数据位，奇偶校验位和停止位组成。如图4.9所示。图4.9 串行异步通信帧格式(1)起始位。通信线在没有数据传输时处于逻辑“1”状态，当发送器要发送一个字符的数据时，首先发送一个逻辑“0”信号，表示其后所传输的为数据。起始位表示字符传输开始。(2)数据位。起始位之后为数据位。数据位的个数是5、6、7或8位，低位在前，高位在后。(3)奇偶校验位。奇偶校验用于有限差错检测，是通信双方约定一致的检错方式。奇偶校验位为冗余位，可由用户根据需要选择使用。(4)停止位。在奇偶位或数据位（当无奇偶校验时）之后是停止位。可以是1位、位或2位，表示一个字符传输的结束。在发送的间隙，即空闲时，通信线路总处于逻辑“1”状态。2.2.单工单工、半双工、全双工通信方式、半双工、全双工通信方式 串行数据通信有以下三种数据通路形式：单工（Simplex）、半双工（Half-duplex）、全双工（Full-duplex）图4.10 单工形式串行通信图 4.11 半双工形式串行通信 图4.12 全双工形式串行通信 3 3波特率波特率 通信线上的数据按位传送，每一位量度（位信号持续时间）由数据传送速率决定。每秒传送的位数量称之为波特率（baud rate）。如每秒传送一位就是1波特，即：1波特1位/秒（1bps）串行通信中常用的标准波特率有：600、1200、2400、4800、9600、19200等。4.4.2 EIA-232-D4.4.2 EIA-232-D接口标准接口标准 EIA-232-D是由美国电子工业协会正式公布的串行总线标准，也是目前最常用的串行接口标准，用来实现计算机之间、计算机与外设之间的数据通信。EIA-232-D总线接口适用于设备之间距离不大于15米，传输速度最大20kb/s。1EIA-232-D信号引脚定义信号引脚定义 EIA-232-D定义了22根线，采用标准25芯(DB-25)插头座，在EIA-232中描述的连接器还有DB-9。如表4.1和4.2所示。2电气特性电气特性 EIA-232-D采用负逻辑，即：逻辑“1”：-3V-15V 逻辑“0”：+3V+15V EIA-232-D的逻辑电平与TTL电平不兼容，为了与TTL器件相连必须进行电平转换。3.EIA-232-D3.EIA-232-D端口的直接连接端口的直接连接 两台计算机可通过调制解调器（Modem），由电话线连接实现长距离通信。在工业数据通信中，常直接将两台计算机的EIA-232端口连接。在通信过程中，不需要握手时，只需要3根连接线，DB-9连接器的接线如图4.13(a)所示。在需要握手时，还需要将请求发送、允许发送、准备就绪等信号端形成如图4.13(b)所示的交叉连接形式。(a)无握手 (b)全握手 图4.13 EIA-232端口的直接连接 4.4.3 4.4.3 MCS-51MCS-51单片机串行口单片机串行口 MCS-51单片机内部有一个全双工的串行口，有两个独立的接收、发送缓冲器SBUF（地址都是99H，属于特殊功能寄存器），可同时发送和接收数据。发送缓冲器只能写入不能读出，接收缓冲器只能读出不能写入，用读、写指令加以区分。由于串口接收部分由输入移位寄存器和接收缓冲器构成双缓冲结构，所以在接收缓冲器读出数据之前，串行口可以开始接收第二个字节。但是如果第二个字节已接收完毕时，第一个字节还没有读出，则将丢失其中一个字节。MCS-51串行口除了用于数据通信之外，还可以非常方便地构成一个或多个并行输入/输出口，或作为串并转换，用来驱动键盘或显示器。1 1串行口控制寄存器串行口控制寄存器 串行口有四种工作方式，串行口的控制寄存器有两个，即特殊功能寄存器SCON和PCON。(1)(1)串行口控制寄存器串行口控制寄存器SCONSCON SCON为特殊功能寄存器，字节地址为98H，可位寻址，位地址从98H到9FH，SCON的格式为：SCON控制寄存器的定义：SM0、SM1：控制串行口工作方式。定义如表4.3 表4.3 串行口工作方式 SM2：为多机通信设置的控制位，允许工作在方式2和方式3的单片机实现多机通信。在工作方式2或方式3，若SM2=1，当接收到的第9位数据（RB8）为0时，RI=0，接收的数据丢弃;当RB8=1时，置RI1，接收数据有效。在工作方式1，若SM21，当接收有效停止位时，置RI1，数据有效；没有接收到有效停止位时，RI0，数据无效。在方式0时，SM2应为0。REN：接收允许控制位。通过软件置“1”/清零使得串行口允许/禁止接收数据。TB8：在方式2和方式3中要发送的第9数据位，可根据需要置“1”或清零。RB8：在方式2和方式3中接收的第9数据位。在方式1，SM2=0，RB8 接收的是停止位。在方式0，RB8不用。TI：发送中断标志。在串行发送时，在方式0发送完第8位数据时由硬件置位TI，在其他方式下，开始发送停止位时硬件置位TI。必须由软件清零。RI：接收中断标志。在串行接收（不考虑SM2）时，在方式0接收完第8位数据时由硬件置位RI，在其他方式下，接收停止位中硬件置位RI。必须由软件清零。(2)(2)电源控制寄存器电源控制寄存器PCONPCON PCON其字节地址为87H，无位地址。其中与串行口有关的只有D7位。SMOD：波特率加倍位。在计算串行方式1、2、3的波特率时，SMOD0，波特率不加倍；SMOD1，波特率加倍。2 2串行口工作方式串行口工作方式(1)方式0在方式0下，串行口为同步移位寄存器方式，波特率固定，为fosc/12。数据由RxD（P3.0）端出入，同步移位脉冲由TXD（P3.1）端输出，发送、接收都是8位数据，低位在前，高位在后。图4.14为串行口在方式0下的功能框图。图4.14 串行口在方式0下的功能框图 发送阶段CPU在S6P2时刻向缓冲器SBUF写操作时，“1”被装入发送移位寄存器的第9位，并告之发送控制模块开始发送。当写有效后，相隔一个机器周期发送控制端SEND有效（高电平），允许移位寄存器的输出从RxD(P3.0)引脚发送，同时允许移位时钟SHIFT CLOCK从TxD(P3.1)引脚输出。每个机器周期的S6P2时刻，SEND有效时，发送移位寄存器向右移一位。每向右移一位，从左边向最高位移入一个“0”位。当数据的最高位到达移位寄存器的输出位后，最初装入在第9位的“1”移到了最高位的左边，并且其左边所有的位都为“0”，这一条件标志发送控制模块在将最高位移出后将使SEND无效，并置TI=1。接收的初始化的条件为：REN=1和RI=0。在下个周期S6P2时刻，接收控制单元将11111110写入接收移位寄存器，相隔一个机器周期使接收控制RECEIVE有效。RECEIVE允许移位时钟SHIFT CLOCK从TxD(P3.1)引脚输出，当RECEIVE有效时，每个机器周期的S6P2时刻，接收移位寄存器的内容左移一位，右边进来的值是S5P2 时刻从P3.0引脚采样的值。当初始化装入的值11111110左边的“1”逐步移出，“0”到达移位寄存器的最左边时，标志着接收控制模块再作最后一次左移，并将移位寄存器的结果装入SBUF，在第10个机器周期置RI=1，使RECEIVE无效。图4.15为相应的时序。在方式0中，SCON中的TB8位没有用，SM2位（多机通信控制位）必须为“0”，由TI和RI标志向CPU申请中断，CPU需通过TI和RI标志位判断是发送还是接收中断，因而不通过硬件清零，在程序中用指令清零。图4.15 串行口在方式0下发送、接收时序图(2)方式1 当SM0 SM1=01时，串行口工作在方式1，为8位异步通信接口，一帧的信息为10位，通过TxD发送或RxD接收：1位起始位、8位数据位（低位在前）和1位停止位。在接收时，停止位进入SCON的RB8。波特率由定时器1的溢出率决定。与方式0相似，发送阶段CPU向SBUF写数据的同时将“1”装入发送移位寄存器的第9位，并向发送控制单元标志请求发送。发送由SEND控制信号有效，并将起始位发送到TxD开始。一个位时间之后，数据有效，允许移位寄存器的输入位发送到TxD。当最后一位发送完，发送控制单元使SEND无效，在计数的第10次翻转时置TI1。图4.16为串行口在方式1下的功能框图。图4.17为串行口在方式1下发送和接收相应的时序图。当检测到RxD引脚发生“1”到“0”跳变时启动接收，接收控制器以16倍波特率速率对RxD引脚采样，同时计数器立刻复位，并将1FFH写入输入移位寄存器。每个位时间被16等分，在第7、8、9时刻对RxD的位信息进行采样，将其中两次以上相等的值作为采样值，以防止噪声干扰。若第一位采样值不是“0”，则不是起始位，接收电路复位，控制电路重新检测下一个“1”到“0”的跳变；若是起始位，则将其移位进入移位寄存器，并接收本帧的其他信息。图4.16 串行口在方式1下的功能框图 图4.17串行口在方式1下发送、接收时序图 数据位从右边进入，“1”从左边移出。当起始位到达移位寄存器的最右边时（方式1是9位寄存器），接收控制单元需再作最后一次移位。只有当最后一次移位时，如果同时满足以下条件：RI=0 SM2=0或收到的停止位为“1”则接收的数据有效，8位数据装入SBUF，停止位进入RB8，置RI=1。接收控制器再次采样RxD引脚的负跳变。如果上述条件之一不满足，接收的信息将丢弃。(3)方式2 当SM0 SM1=10时，串行口工作在方式2，为9位异步通信接口。一帧的信息为11位，通过TxD发送或RxD接收：1位起始位、8位数据位、1位可编程第9数据位和1位停止位。发送时，第9数据位TB8根据需要设置为“0”或“1”。TB8既可作为多机通信中的地址、数据标志位，又可作为数据的奇偶校验位；在接收时，第9数据位进入SCON的RB8。方式2发送：数据由TxD输出，附加的第9位数据为SCON中的TB8。当CPU执行写SBUF指令后，发送随着SEND信号有效开始，送完一帧信息后，使SEND无效并置TI=1。图4.18为串行口在方式2下发送和接收相应的时序图。图4.18 串行口在方式2下发送、接收时序图 下面是一个发送中断服务程序，TB8为奇偶校验位，R0为发送数据区地址指针。SEND:PUSHPSW；保护现场PUSHACLRTI；发送中断标志位清零MOVA,R0；取数据MOVC,P；奇偶位送TB8MOVTB8,CMOVSBUF,A；数据写入发送缓冲器，启动发送INCR0；数据指针加1POPA；恢复现场POPPSWRETI；中断返回方式2接收：当REN=1时，与方式1相同，检测到RxD引脚发生“1”到“0”跳变时启动接收，采样到起始位后，数据位依次进入移位寄存器，当最后一位数据进入移位寄存器时，只有以下两个条件同时满足：RI=0SM2=0或收到的第9位数据为“1”则接收的数据有效，接收控制块控制8位数据装入SBUF，第9位数据进入RB8，并置RI=1。如果上述条件之一不满足，则将接收的数据丢弃。下面是一个接收中断服务程序实例，程序有奇偶校验，R1为接收数据缓冲区地址指针。RECEIVE:PUSHPSW；保护现场PUSHACLRRI；接收中断标志位清零MOVA,SBUF；接收数据MOVC,P；取奇偶位JNCL1；JNBRB8,ER；奇偶校验错则转错误处理SJMPL2；奇偶校验转L2 L1：JBRB8,ER；奇偶校验错则转错误处理L2：MOVR1,A；接收数据存数据缓冲器INCR1；数据指针加1POPA；恢复现场POPPSWLJMPENDER:；错误处理（略）END：RETI (4)方式3 当SM0 SM1=11时，串行口工作在方式3，为波特率可变的9位异步通信方式。除波特率可变之外，方式3与方式2相同。3串行口通信波特率的设置串行口通信波特率的设置 方式0：波特率=系统振荡频率fosc/12 方式2：波特率=2SMOD fosc/64 方式1、3：波特率=2SMOD