MCS-51单片机内部有一个全双工的异步通信串行口，这个口既可以用于网络通信，也可以实现串行异步通信，还可以作为同步移位寄存器使用。

1.串行口的结构

串行口的内部结构如图5-21所示。MCS-51串行口内部有两个物理上独立的接收、发送缓冲器SBUF，属于特殊功能寄存器。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，二者共用一个字节地址（99H）。通过对SBUF的读、写指令来区别是对接收缓冲器还是发送缓冲器进行操作。CPU在写SBUF时，就是修改发送缓冲器；读SBUF，就是读接收缓冲器的内容。接收或发送数据，是通过串行口对外的两条独立收发信号线RXD（P3.0）、TXD（P3.1）来实现的，因此可以同时发送、接收数据，其工作方式为全双工制式。

图5-21　串行口的内部结构图

2.串行口的控制寄存器

MCS-51单片机串行口的控制寄存器共有3个，串行口控制寄存器SCON、电源及波特率选择寄存器PCON和中断允许寄存器IE。它们都是特殊功能寄存器。

（1）串行口控制寄存器SCON

串行口控制寄存器SCON是一个可以进行位寻址的特殊功能寄存器，用于串行数据通信的控制。单元地址98 H，位地址是98 H-9FH。寄存器内容及位地址见表5-11。

表5-11　串行口控制寄存器SCON

对各位的说明如下：

1）SM0、SM1：串行口工作方式选择位，其定义见表5-12。

表5-12　串行口工作方式选择

2）SM2：多机通信控制位，用于方式2和方式3中。

在方式2和方式3处于接收方式时，若SM2＝1，只有当接收到的第9位数据（RB8）为1时，才将接收到的前8位数据送入SBUF，并置位RI，产生中断请求。否则SM2＝1且接收到的第9位数据（RB8）为0时，串行口则将接收到的前8位数据丢弃，也不激活RI。

在方式2、3处于接收或发送方式时，若SM2＝0，不论接收到的第9位RB8为0还是为1，TI、RI都以正常方式被激活。在方式1处于接收时，若SM2＝1，则只有收到有效的停止位后，RI置1。在方式0中，SM2应为0。

3）REN：允许串行接收位。它由软件置位或清零。REN＝1时，允许接收；REN＝0时，禁止接收。

4）TB8：发送数据的第9位。在方式2和方式3中，由软件置位或复位，可做奇偶校验位。在多机通信中，可作为区别地址帧或数据帧的标识位。一般标识地址帧时，TB8为1；数据帧时，TB8为0。

5）RB8：接收数据的第9位。功能同TB8。

6）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，在发送停止位的开始时由硬件置位。因此，TI是发送完一帧数据的标志，可以用指令JBC TI，rel来查询是否发送结束。TI＝1时，表示串行口向CPU发出发送中断申请，响应中断后，必须由软件清除TI。

7）RI：接收中断标志位。在方式0中，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。同TI一样，也可以通过JBC RI，rel来查询是否接收完一帧数据。RI＝1时，表示串行口向CPU发出接收中断申请，响应中断后，必须由软件清除RI。

（2）电源及波特率选择寄存器PCON

PCON主要是为CHMOS型单片机的电源控制而设置的专用寄存器，不可以位寻址，字节地址为87H。在HMOS的8051单片机中，PCON除了最高位以外，其他位都是虚设的。其格式见表5-13。

表5-13　电源及波特率选择寄存器PCON

SMOD：串行口波特率系数控制位。

如方式1的波特率的计算公式为

SMOD＝1时的波特率比SMOD＝0时增大一倍。

（3）中断允许寄存器IE

这个寄存器在前面已经介绍过了，此处是为串行数据通信的需要又一次列出。IE寄存器内容及位地址见表5-14。

表5-14　中断允许寄存器IE

各位含义如下：

ES：　串行中断允许位

ES＝0禁止串行中断

ES＝1允许串行中断

寄存器IE的其他位的含义我们在前面已经介绍，这里不再重述。

3.串行口的工作方式

MCS-51的串行口有4种工作方式，通过SCON中的SM1、SM0位来决定。

（1）方式0

在方式0下，串行口作为同步移位寄存器使用，其波特率固定为fosc/12。串行数据从RXD（P3.0）端输入或输出，同步移位脉冲由TXD（P3.1）送出。这种方式常用于扩展I/O口。

1）发送。当一个数据写入串行口发送缓冲器SBUF时，串行口将8位数据以fosc/12的波特率从RXD引脚输出（低位在前），发送完置1中断标志位TI，请求中断。在再次发送数据之前，必须由软件清TI为0。发送数据的时序如图5-22所示。

图5-22　方式0发送时序图

这时可通过“串入并出”移位寄存器如CD4094、74LS164将串行口扩展成并行输出口。具体电路图如图5-23所示。其中，74LS164为串入并出移位寄存器。

图5-23　串行口扩展成并行输出口电路图(www.daowen.com)

2）接收。在满足REN＝1和RI＝0的条件下，串行口即开始从RXD端以fosc/12的波特率输入数据（低位在前），当接收完8位数据后，置1中断标志位RI，请求中断。在再次接收数据之前，必须由软件清RI为0。时序如图5-24所示。

图5-24　方式0接收时序图

这时可通过“并入串出”移位寄存器如CD4014、74LS165将串行口扩展成并行输入口。具体电路图如图5-25所示。其中，74LS165为并入串出移位寄存器。

串行控制寄存器SCON中的TB8和RB8在方式0中未用。值得注意的是，每当发送或接收完8位数据后，硬件会自动置1TI或RI位，CPU响应TI或RI中断后，必须由用户用软件清0。方式0时，SM2必须为0。

图5-25　串行口扩展成并行输入口电路图

（2）方式1

SM0、SM1两位为01时，串行口以方式1工作。方式1真正用于数据的串行发送和接收。TXD和RXD引脚分别用于发送和接收数据。方式1收发一帧数据为10位，包括1个起始位0，8个数据位和1个停止位1。其帧格式如图5-26所示。

图5-26　方式1的帧格式

1）发送。串行口以方式1发送时，数据从TXD端输出。CPU执行1条写发送缓冲器SBUF的指令，就启动发送，发送数据时序如图5-27所示。方式1所传送的波特率取决于定时器T1的溢出率和PCON中的SMOD位，图5-27中TX时钟的频率就是发送的波特率。发送开始时，内部控制信号变为有效，将起始位向TXD输出，此后，每经过一个TX时钟周期，便产生一个移位脉冲，并由TXD输出1个数据位。8位数据位全部发送完毕后，置1中断标志位TI，然后信号失效。

图5-27　方式1的发送时序图

2）接收时。串行口以方式1接收时（REN＝1，允许接收），数据从RXD（P3.0）引脚输入。当检测到起始位的负跳变时，则开始接收，接收数据时序如图5-28所示。

图5-28　方式1的接收时序图

接收时定时控制信号有两种：一种是接收移位时钟（RX时钟），它的频率和传送的波特率相同；另一种是位检测器采样脉冲，它的频率是RX时钟即波特率的16倍。也就是在1位数据期间，有16个采样脉冲，以波特率的16倍的速率采样RXD引脚状态，当采样到RXD端由1到0的跳变时就启动检测器，接收的值是3次连续采样（第7、8、9个脉冲时采样）取其中2次相同的值，以确认是否是真正的起始位（负跳变）的开始，这样能较好地消除干扰引起的影响，以保证可靠无误的开始接收数据。当确认起始位有效时，开始接收一帧数据。接收每一位数据时，也都进行3次连续采样（第7、8、9个脉冲时采样），接收的值是3次采样中至少2次相同的值，以保证接收到的数据位的准确性。

当一帧数据接收完毕以后，必须同时满足以下两个条件，这次接收才真正有效。

RI＝0，即上一帧数据接收完成时，RI＝1发出的中断请求以被响应，SBUF中的数据已被取走，说明接收SBUF已空。

SM2＝0或收到的停止位＝1（方式1时，停止位已进入RB8），则将接收到的数据装入SBUF和RB8（RB8中装入停止位），且置1中断标志RI。

若这两个条件不同时满足，收到的数据不能装入SBUF，这意味着该帧数据将丢失。

（3）方式2

方式2下，串行口为11位异步通信接口，传送波特率与SMOD有关。发送或接收一帧数据包括1位起始位0，8位数据位，1位可编程位（用于奇偶校验）和1位停止位1。其帧格式如图5-29所示。

图5-29　方式2的帧格式

1）发送。发送时，先根据通信协议由软件设置TB8，然后用指令将要发送的数据写入SBUF，启动发送器。写SBUF的指令，除了将8位数据送入SBUF外，同时还将TB8装入发送移位寄存器的第9位，并通知发送控制器进行一次发送。一帧信息即从TXD发送，在送完一帧信息后，TI被自动置1，在发送下一帧信息之前，TI必须由中断服务程序或查询程序清0。时序如图5-30所示。

图5-30　方式2的发送时序图

2）接收。当REN＝1时，允许串行口接收数据。11位的数据由RXD端输入。当接收器采样到RXD端的负跳变，并判断起始位有效后，开始接收一帧信息。当接收器接收到第9位数据后，若同时满足以下两个条件：RI＝0和SM2＝0或接收到的第9位数据为1，则接收数据有效，8位数据送入SBUF，第9位送入RB8，并置RI＝1。若不满足上述两个条件，则信息丢失。时序如图5-31所示。

图5-31　方式2的接收时序图

（4）方式3

方式3为波特率可变的11位异步通信方式，除了波特率以外，方式3和方式2完全相同。

4.串行口波特率的设定

在串行通信中，收发双方发送或接受的波特率必须一致。我们通过软件对MCS-51串行口可以设定4种工作方式。其中方式0波特率是固定的；方式2的波特率由SMOD位确定；方式1和方式3的波特率，由定时器T1的溢出率和SMOD位确定。

1）串行口工作在方式0时，波特率固定为时钟频率fosc的1/12，且不受SMOD位的影响。

2）串行口工作在方式2时，波特率由SMOD位的值确定。当SMOD＝0时，波特率为fosc/64；当SMOD＝1时，波特率为fosc/32。方式2的波特率由下式确定

3）串行口工作在方式1和方式3时，波特率由定时器1的溢出率和SMOD共同决定。方式1和方式3的波特率由下式确定

实际上，当定时器T1作波特率发生器使用时，通常是工作在方式2，即自动重新装载初值的8位定时器，此时TL1作计数用，自动重装载的值在TH1内。设计数的预置值（初始值）为X，每过256-X个机器周期，定时器溢出一次。为了避免因溢出而产生不必要的中断，此时应禁止T1中断。溢出周期为

溢出率为溢出周期的倒数，所以

所以这时

5）常用的波特率及获得办法见表5-15。

表5-15　定时器T1产生的常用波特率

注　×为0或1。

表中有两点需要注意：

①在使用的时钟振荡频率为12MHz和6MHz时，表中初值X和相应的波特率之间有一定的误差。例如，当时钟频率是6MHz、初值是FDH时，对应的波特率是10416bit/s，与9600bit/s，相差816 bit/s，消除误差可以通过调整时钟振荡频率fosc实现。

②如果串行通信采用很低的波特率，可以将定时器T1设置为方式1定时。但在这种情况下，T1溢出时，需要在中断服务程序中重新装入初值。中断响应时间和执行指令时间会使波特率产生一定的误差，可以用改变初值的方法加以调整。