關(guān)于串行接口的 4 種工作模式的概念總結(jié)

串行口的結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，它具有 4 種工作模式，這些工作模式可以用 SCON 中的 SM0 和 SM1 兩位編碼決定。以下著重介紹各種模式的工作原理。

模式 0：

串行口工作模式 0 為同步移位寄存器輸入/輸出模式，可外接移位寄存器，以擴(kuò)展 I/O 口。

模式 0 又分為模式 0 輸出和模式 0 輸入兩種工作狀態(tài)。但應(yīng)注意：在這種模式下，不管輸出還是輸入，通信數(shù)據(jù)總是從 P3.0(RXD) 管腳輸出或輸入，而 P3.1(TXD) 管腳總是用于輸出移位脈沖，每一個(gè)移位脈沖將使 RXD 端輸出或者輸入一位二進(jìn)制碼。在 TXD 端 的移位脈沖即為模式 0 的波特率，其值固定為晶振頻率 fOSC 的 1/12 ，即每個(gè)機(jī)器周期移動(dòng)一位數(shù)據(jù)。

(1) 模式 0 輸出狀態(tài) 。當(dāng)一個(gè)數(shù)據(jù)寫入串行口數(shù)據(jù)緩沖器時(shí)，就開始發(fā)送。在此期間，發(fā)送控制器送出移位信號(hào)，使發(fā)送移位寄存器的內(nèi)容右移一位。直至最高位(D7 位) 移出后，停止發(fā)送數(shù)據(jù)和移位脈沖，完成了發(fā)送一幀數(shù)據(jù)的過程，并置發(fā)送中斷標(biāo)志 TI 為 1，申請(qǐng)中斷或用于查詢。

這是將單片機(jī)的串行口擴(kuò)展為若干并行輸出口的工作模式，常用的外接擴(kuò)展芯片是串行輸入/8 位并行輸出的移位寄存器 74LS164 。它與單片機(jī)的連接電路如圖 6.10 所示。

圖 6.10 外接移位寄存器輸出

每片 74LS164 有兩個(gè)串行數(shù)據(jù)輸入端和一個(gè)同步移位脈沖輸入端，以及 8 個(gè)并行輸出口。時(shí)鐘 CLK 端上每一個(gè)上升沿都會(huì)使該芯片的 8 位數(shù)據(jù)輸出右移一位。

(2) 模式 0 輸入狀態(tài)。在特殊功能寄存器 SCON 中，位 REN 是串行 口允許接收控制位。當(dāng) REN=0 時(shí)，禁止接收;當(dāng) REN=1 時(shí)，允許接收。當(dāng)串行口置為模式 0 ，且滿足 REN=1 和 RI=0 的條件時(shí)，就會(huì)啟動(dòng)一次接收過程。在機(jī)器周期的 S6P2 時(shí)刻，在串行口 內(nèi)接收控制器向移位寄存器寫入 11111110 ，并在 TXD 端輸出移位脈沖，從 RXD 端輸入一位數(shù)據(jù)，同時(shí)使輸入移位寄存器內(nèi)容左移一位，其右端補(bǔ)上剛由 RXD 端輸入的數(shù)據(jù)。這 樣，原先在輸入移位寄存器中的 1 就逐位從左端移出，而在 RXD 引腳上 的數(shù)據(jù)就逐位從右端移入，當(dāng)寫入移位寄存器最左端的一個(gè) 0 移到最左端時(shí)，其右邊已經(jīng)接收了 7 位數(shù)據(jù)。這時(shí)，將通知接收控制器進(jìn)行最后一次移位，并把所接收的數(shù)據(jù)裝入SBUF，置位接收中斷標(biāo)志位 RI，提供申請(qǐng)中斷或查詢標(biāo)志。

這是將單片機(jī)的串行口擴(kuò)展為若干并行輸入口的工作模式，常用的外接擴(kuò)展芯片是 8 位并行輸入/串行輸出移位寄存器 74LS165 。它與單片機(jī)的連接電路如圖 6.11 所示。 74LS165 有 8 個(gè)并行輸入端，一個(gè)串行輸出端，以及一個(gè)用于移位的時(shí)鐘輸入端。在同步移位脈沖的作用下，每個(gè)脈沖使 8 位并行輸入數(shù)據(jù)左移一位，最高位移入單片機(jī) RXD 端， 8 個(gè)移位脈沖可以使 1 個(gè)字節(jié)信息通過 RXD 引腳送入單片機(jī)的 SBUF 中。

圖 6.11 外接移位寄存器輸入

模式 1 ：

串行口工作于模式 1 時(shí)，為波特率可變的 8 位異步通信接口 。數(shù)據(jù)位由 P3.0(RXD) 端接收，由 P3.1(TXD) 端發(fā)送。傳送一幀信息為 10 位：一位起始位(0)，8 位數(shù)據(jù)位(低位 在前) 和一位停止位(1)。 波特率是可變的，它取決于定時(shí)器 T1 的溢出速率及 SMOD 的狀態(tài)。

(1) 模式 1 發(fā)送過程。用軟件清除 TI 后，CPU 執(zhí)行任何一條以 SBUF 為目標(biāo)寄存器的指令，就啟動(dòng)發(fā)送過程。數(shù)據(jù)由 TXD 引腳輸 出，此 的發(fā)送移位脈沖是 由定時(shí)器/計(jì)數(shù)器 T1 送來的溢出信號(hào)經(jīng)過 16 或 32 分頻而取得的。一幀信號(hào)發(fā)送完時(shí)，將置位發(fā)送中斷 標(biāo)志 TI=1，向 CPU 申請(qǐng)中斷，完成一次發(fā)送過程。

(2) 模式 1 接收過程。用軟件清除 RI 后，當(dāng)允許接收位 REN 被置位 1 時(shí)，接收器以 選定波特率的 16 倍的速率采樣 RXD 引腳上的電平，即在一個(gè)數(shù)據(jù)位期間有 16 個(gè)檢測脈沖，并在第 7 、8 、9 個(gè)脈沖期間采樣接收信號(hào)，然后用三中取二的原則確定檢測值，以抑制 干擾。并且采樣是在每個(gè)數(shù)據(jù)位的中間，避免了信號(hào)邊沿的波形失真造成的采樣錯(cuò)誤。當(dāng)檢測到有從“1”到“0”的負(fù)跳變時(shí)，則啟動(dòng)接收過程，在接收移位脈沖的控制下，接收完一幀信息。當(dāng)最后一次移位脈沖產(chǎn)生時(shí)能滿足下列兩個(gè)條件：

① RI=0 ;

② 接收到的停止位為 1 或 SM2=0 。

則停止位送入 RB8 ，8 位數(shù)據(jù)進(jìn)入 SBUF，并置接收中斷標(biāo)志位 RI=1 ，向 CPU 發(fā)出中斷 求，完成一次接收過程。否則，所接收的一幀信息將丟失，接收器復(fù)位，并重新檢測由“1”至“0”的負(fù)跳變，以便接收下一幀信息。注意：接收中斷標(biāo)志應(yīng)由軟件清除，通常串行口以模式 1 工作時(shí)，SM2 設(shè)置為“0”。

模式 2 和模式 3：

串行口工作于模式 2 和模式 3 時(shí)，被定義為 9 位異步通信接口。它們的每幀數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)是 11 位的：最低位是起始位(0)，其后是 8 位數(shù)據(jù)位(低位在先)，第 10 位是用戶定義位 (SCON 中的 TB8 或 RB8)，最后一位是停止位(1)。模式 2 和模式 3 工作原理相似 ，唯一的差別是模式 2 的波特率是固定的，即為 fOSC/32 或 fOSC/64;而模式 3 的波特率是可變的，與定時(shí)器 T1 的溢出率有關(guān)。

(1) 模式 2 和模式 3 的發(fā)送過程。發(fā)送過程是由執(zhí)行任何一條 SBUF 為目的寄存器的指令來啟動(dòng)的。由“寫入 SBUF”信號(hào)把 8 位數(shù)據(jù)裝入 SBUF ，同時(shí)還把 TB8 裝入發(fā)送移位寄存器的第 9 位，并通知發(fā)送控制器要求進(jìn)行一次發(fā)送。發(fā)送開始，把一個(gè)起始位(0) 送到 TXD 端。移位后，數(shù)據(jù)由移位寄存器送到 TXD 端。再過一位，出現(xiàn)第一個(gè)移位脈沖。第一次移位時(shí)，把一個(gè)停止位“1”由控制器的停止位發(fā)生端送入移位寄存器的第 9 位。此后，每次移位時(shí)，把 0 送入第 9 位。因此，當(dāng) TB8 的內(nèi)容送到移位寄存器的輸出位置時(shí)，其左面一位是停止位“1”，而再往左的所有位全為“0”。這種狀態(tài)由零檢測器檢測到后，就通知發(fā)送控制器作最后一次移位，然后置 TI=1 ，請(qǐng)求申請(qǐng)中斷 。第 9 位數(shù)據(jù)(TB8) 由軟件置位或清零，可以作為數(shù)據(jù)的奇偶校驗(yàn)位，也可以作為 多機(jī)通信中的地址、數(shù)據(jù)標(biāo)志位。如把 TB8 作為奇偶校驗(yàn) 位 ，可以在發(fā)送程序中 ，在數(shù)據(jù)寫入 SBUF 之前，先將數(shù)據(jù)位寫入 TB8 。

(2) 模式 2 和模式 3 接收過程。與模式 1 類似，模式 2 和模式 3 接收過程始于在 RXD 端檢測到負(fù)跳變時(shí)，為此，CPU 以波特率 16 倍的采樣速率對(duì) RXD 端不斷采樣。一檢測到負(fù)跳變，16 分頻計(jì)數(shù)器就立刻復(fù)位，同時(shí)把 1FFH 寫入輸入移位寄存器。計(jì)數(shù)器 的 16 個(gè) 狀態(tài)把一位時(shí)間等分成 16 份，在每一位的第 7 、8 、9 個(gè)狀態(tài)時(shí)，位檢測器對(duì) RXD 端 的值采樣。如果所接收到的起始位無效(為 1)， 則復(fù)位接收電路，等待另一個(gè)負(fù)跳變的到來。若 起始位有效(為 0)， 則起始位移入移位寄存器，并開始接收這一幀的其余位。當(dāng)起始位 0 移到最左面時(shí)，通知接收控制器進(jìn)行最后一次移位。把 8 位數(shù)據(jù)裝入接收緩沖器 SBUF，第 9 位數(shù)據(jù)裝入 SCON 中的 RB8，并置中斷標(biāo)志 RI=1。裝入 SBUF 和 RB8 以及置位 RI 的信號(hào)只有在產(chǎn)生最后一個(gè)移位脈沖且同滿足下列兩個(gè)條件時(shí)，才會(huì)產(chǎn)生：

① RI=0 ;

② SM2=0 或接收到的第 9 位數(shù)據(jù)為“1”。

上述兩個(gè)條件中任一個(gè)不滿足，所接收的數(shù)據(jù)幀就會(huì)丟失，不再恢復(fù)。兩者都滿足時(shí)，第 9 位數(shù)據(jù)裝入 TB8 ，前 8 位數(shù)據(jù)裝入 SBUF 。

請(qǐng)注意：與模式 1 不 同，模式 2 和 3 中裝入 RB8 的是第 9 位數(shù)據(jù)，而不是停止位， 所接收的停止位的值與 SBUF、RB8 和 RI 都沒有關(guān)系，利用這一特點(diǎn)可將其用于多機(jī)通信中。