通信概述

我們平時使用的電子設(shè)備，比如計算機，手機，電視機等這些大多數(shù)電子產(chǎn)品都不是由單一控制器芯片構(gòu)成。它們內(nèi)部除了MCU，CPU，GPU等控制芯片，還會包含眾多的附屬芯片，比如：RAM，ROM，信號處理芯片，傳感器芯片，電源管理芯片等等。這么多的芯片，它們之間是怎么配合的呢？這就涉及到芯片之間的通信知識了。通信是單片機應(yīng)用中的重要一環(huán)，也是非常復(fù)雜的一部分，但是一般情況下我們掌握一些常見的通信方式后一些復(fù)雜的通信方式就可以類推很快就能掌握了，所以不要被嚇到了。

通信方式包含的種類很多，并且在我們?nèi)粘Ｉ铍S處可見，按通信介質(zhì)分類有有線通信也就有無線通信，按數(shù)據(jù)傳輸方向分為單工通信，半雙工通信，全雙工通信，按數(shù)據(jù)傳輸方式分為串行通信和并行通信，串口通信又分為同步通信和異步通信，至于通信協(xié)議那就更加豐富多樣了。比如我們可以通過手機上網(wǎng)就是因為手機可以接收到運營商基站或WIFI等設(shè)備發(fā)出的無線信號。我們手機通過數(shù)據(jù)線連接電腦拷貝文件，照片等就屬于有線通信，并且這種通信方式是串行通信方式，而計算機CPU與內(nèi)存卡之間的連接包含并行通信。通過我們?nèi)粘Ｓ蒙钪械倪@些應(yīng)用我們大概就能知道，一般情況下有線通信比較穩(wěn)定，而無線通信比較方便；并行通信優(yōu)勢在于近距離高速通信，串行通信在于相對成本低。

說明了以上知識之后，現(xiàn)在我來介紹51單片機的通信內(nèi)容待會你可能就會比較好理解它了。當(dāng)然51單片機也可以進行并行通信和串行通信，我們這一節(jié)內(nèi)容主要講解它的串行通信，并行通信后面的內(nèi)容進行講解。以下兩圖就是這它的兩種通信方式的基本示意圖：

在并行通信中，有多個數(shù)據(jù)位同時在兩個設(shè)備間傳輸，發(fā)送方將這些數(shù)據(jù)位通過對應(yīng)的數(shù)據(jù)線傳輸給接收方，接收方接收到這些數(shù)據(jù)后不需要任何處理就可以直接使用。并行通信的特點是傳送速度快、效率高、處理簡單，但通信成本高，只適用于短距離傳送數(shù)據(jù)。并行通信使用8位數(shù)據(jù)線同時傳送數(shù)據(jù)，一字節(jié)（8位）的數(shù)據(jù)，可以一次性地傳輸完畢。

在串行通信中，數(shù)據(jù)一位一位地按順序傳送。發(fā)送方首先將數(shù)據(jù)由并行轉(zhuǎn)為串行后，逐位傳送到接收方，接收方將接收到的串行數(shù)據(jù)再次恢復(fù)成并行數(shù)據(jù)。串行通信的特點是通信速度慢，但線路簡單、成本低，非常適用于長距離的數(shù)據(jù)傳送。串行通信僅使用一位數(shù)據(jù)線進行數(shù)據(jù)傳送，一字節(jié)（8位）的數(shù)據(jù)，要分8次才能傳輸完畢。由此可見，串行通信在速度上較并行通信會慢很多。

51系列單片機內(nèi)部集成有一個通用異步收發(fā)器（Universal Asynchronous Receiver Transmitter），簡稱UART或串行口。單片機通過串行通信接口，可以與其他芯片構(gòu)成同步通信系統(tǒng)，也可以與PC或其他設(shè)備組建起異步通信系統(tǒng)，實現(xiàn)與外部設(shè)備的信息交換。本節(jié)內(nèi)容我們將介紹的是51系列單片機串行通信接口的原理和使用方法。

51單片機串口通信原理

51系列單片機的通用異步收發(fā)器內(nèi)部結(jié)構(gòu)如上圖所示，UART與單片機內(nèi)部8位數(shù)據(jù)總線相連，SBUF是收發(fā)緩沖器，由接收緩沖器和發(fā)送緩沖器兩部分構(gòu)成，二者具有同一地址（99H），但他們之間是相互獨立的，即發(fā)送緩沖器只能寫入而不能讀出數(shù)據(jù)，而接收緩沖器則只能讀出而不能寫入數(shù)據(jù)。實際使用時通過不同的讀緩沖器和寫緩沖器指令來區(qū)分對哪個緩沖器操作。所以51系列單片機的串行數(shù)據(jù)通信的啟動方法很簡單，只要將數(shù)據(jù)寫入發(fā)送緩沖器就能啟動數(shù)據(jù)的發(fā)送，而在接收數(shù)據(jù)時，只要讀取保存在接收緩沖器中的內(nèi)容即可。單片機會按照讀或?qū)懙姆绞讲煌?，自動分配要訪問的目標(biāo)寄存器是發(fā)送SBUF還是接收SBUF。

UART工作時，定時器用于產(chǎn)生通信需要的時鐘，控制寄存器用于對串行口的工作狀態(tài)進行相應(yīng)的監(jiān)控和設(shè)置。當(dāng)數(shù)據(jù)寫入發(fā)送SBUF后，數(shù)據(jù)在發(fā)送控制器的控制下，按位從TXD引腳移出；外部數(shù)據(jù)在接收控制器的控制下，從RXD引腳移入移位寄存器并對串行數(shù)據(jù)進行恢復(fù)，恢復(fù)后的數(shù)據(jù)保存至接收SBUF中供軟件讀取。

當(dāng)接收SBUF中的數(shù)據(jù)沒有被軟件讀取時，移位寄存器還可以暫時接收并保存下一個新數(shù)據(jù)，從而避免發(fā)生數(shù)據(jù)溢出，這種結(jié)構(gòu)也是串行口特有的接收雙緩沖結(jié)構(gòu)。發(fā)送器則沒有類似的數(shù)據(jù)緩沖結(jié)構(gòu)，因為在發(fā)送數(shù)據(jù)時單片機是主動的，不存在數(shù)據(jù)過載的問題。

51單片機串口通信相關(guān)寄存器

51系列單片機的串行接口有兩個特殊功能寄存器SCON和PCON。其中，SCON用于存放串行接口的控制和狀態(tài)信息，PCON用于改變串行接口的波特率。另外，51系列單片機的串行口共有4種工作模式，對應(yīng)有3種波特率。其中，模式0和模式2具有固定的波特率；而模式1和模式3的波特率是可變的，一般由定時器的溢出率來決定。當(dāng)然除了以兩個基本的寄存器，還會用到其他幾個寄存器控制，下面分別介紹一下這些寄存器。

電源控制寄存器PCON：

電源控制寄存器PCON的高2位作為串行口通信的控制使用，

SMOD：波特率選擇位，當(dāng)串行口工作在方式1、2、3時，如果SMOD = 0，波特率正常。如果SMOD = 1，則波特率加倍。

SMOD0：（這位是STC單片機設(shè)定的，普通51單片機沒有這位，需參考數(shù)據(jù)手冊）幀錯誤檢測位，當(dāng)SMOD0 = 0時，SCON寄存器中的SM0/FE位用于SM0功能，當(dāng)SMOD0 = 1時，SCON寄存器中的SM0/FE位用于FE（幀錯誤檢測）功能。

串行口控制寄存器SCON：

SM0/FE：當(dāng)PCON寄存器中的SMOD0 = 1時，該位用于幀錯誤檢測，當(dāng)檢測到無效停止位時，由硬件將該位置位，該位必須由軟件清零（PCON沒有SMOD0位普通51單片機，則沒有FE功能，默認(rèn)就是SM0）。當(dāng)SMOD0 = 0時，該位和SM1一起用來設(shè)置串行口通信的方式。

SM1：SM1和SM0一起用來設(shè)置串行口通信的方式，配置結(jié)果如下：

至于這幾種模式下的波特率的計算方法我們在具體應(yīng)用部分再做介紹。

SM2：允許方式2或方式3多機通信位。如果SM2 = 1，REN = 1，則從機只有接收到RB8位為1時才將中斷請求位RI置位，并向系統(tǒng)申請中斷。如果SM2 = 0，則無論RB8收到什么數(shù)據(jù)都會將RI位置位，請求中斷。通過設(shè)置SM2的值，可以區(qū)分主機和從機，實現(xiàn)多機通信。在方式0時，SM2必須為0，在方式1時，只有收到有效停止位，就將RI置位。

REN：允許串行口接收位。當(dāng)REN = 1時，允許串行口接收數(shù)據(jù)；當(dāng)REN = 0時，禁止串行口接收數(shù)據(jù)。

TB8：在方式2和方式3，TB8作為發(fā)送數(shù)據(jù)的第9位，其值由軟件修改。

RB8：在方式2和方式3，RB8保存接收到的第9位數(shù)據(jù)。在方式0，不用RB8。在方式1，如果SM2 = 0，則RB8是接收到的停止位。

TI：發(fā)送完成中斷標(biāo)志位。當(dāng)1幀數(shù)據(jù)發(fā)送完成時，由硬件將該位置位，請求中斷，響應(yīng)中斷后，用軟件清零。

RI：接收完成標(biāo)志位。當(dāng)接收完1幀數(shù)據(jù)時，由硬件將該位置位，請求中斷，響應(yīng)中斷后，用軟件清零。

數(shù)據(jù)緩存寄存器SBUF：

51單片機的SBUF寄存器在單片機內(nèi)部的地址是0x99H。但應(yīng)該要注意的是，上一節(jié)中我們說過發(fā)送和接收是獨立的，所以SBUF實際上是包含寄存器，分別是數(shù)據(jù)接收寄存器和數(shù)據(jù)發(fā)送寄存器。當(dāng)我們對SBUF進行讀操作時，它就是接收寄存器；當(dāng)我們對SBUF進行寫操作時，它就是發(fā)送寄存器，他們之間的數(shù)據(jù)互不干擾。

當(dāng)單片機從串行口接收數(shù)據(jù)時，并不是直接將數(shù)據(jù)保存到接收寄存器SBUF，而是先接收到一個輸入移位寄存中當(dāng)中，當(dāng)一幀數(shù)據(jù)接受完成后，再從輸入移位寄存器裝入SBUF。這時，單片機可以開始接收下一幀數(shù)據(jù)，同時，用戶可以取走SBUF接收寄存器中的數(shù)據(jù)。

另外需要特別提出的是，當(dāng)單片機接收完一幀數(shù)據(jù)之后，用戶應(yīng)該及時取走SBUF緩沖區(qū)中的數(shù)據(jù)。因為串行口接收數(shù)據(jù)往往是一個連續(xù)的過程，如果沒有及時取出數(shù)據(jù)，那么下一幀接收到的數(shù)據(jù)就會覆蓋當(dāng)前SBUF中的內(nèi)容，這樣就會造成數(shù)據(jù)丟失，實際使用時需要特別注意！

中斷允許寄存器IE：

ES位用來控制單片機串行口的使能。當(dāng)ES = 0時，不允許串口中斷，當(dāng)ES = 1時，則允許串口產(chǎn)生中斷。

注意，串口的中斷同時還受到單片機的總中斷控制位EA的控制。當(dāng)EA=0時，單片機屏蔽所有的中斷請求，只有當(dāng)EA=1，且ES=1時才允許產(chǎn)生串口中斷。

以上就是51單片機串口應(yīng)用時需要使用的寄存器詳細信息，使用時一定要對照單片機數(shù)據(jù)手冊看看是否與這里的信息相符，信息以你的單片機為準(zhǔn)！

51單片機串口通信模式

上面內(nèi)容中我們提到了51單片機有4種串口通信模式，現(xiàn)在什么一起來看看他們具體的內(nèi)容。

模式0：8位同步移位寄存器模式。

方式0時，UART作為一個8位的移位寄存器使用，波特率為Fosc /12。數(shù)據(jù)由RXD從低位開始收發(fā)，TXD用來發(fā)送同步移位脈沖。因此，方式0不支持全雙工。這種方式可用來和某些具有8位串行口的EEPROM器件通信。

當(dāng)向SBUF寫入字節(jié)時，開始發(fā)送數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)發(fā)送完畢時，TI位置位。置位REN時，將開始接收數(shù)據(jù)；接收完8位數(shù)據(jù)時，RI位將置位。時序示意圖如下：

模式1：波特率可變的8位數(shù)據(jù)異步收發(fā)。

方式1是10位數(shù)據(jù)的異步通信口。TXD為數(shù)據(jù)發(fā)送引腳，RXD為數(shù)據(jù)接收引腳。其中，1位起始位，8位數(shù)據(jù)位，1位停止位。時序示意圖如下：

模式2：波特率固定的9位數(shù)據(jù)異步收發(fā)。

模式3：波特率可變的9位數(shù)據(jù)異步收發(fā)。

模式2和模式3都是9位異步收發(fā)模式，不同點是模式3可以設(shè)置波特率，所以可以放在以前說明。

方式2和方式3時起始位1位，數(shù)據(jù)9位（含1位附加的第9位，發(fā)送時為SCON中的TB8，接收時為RB8），停止位1位，一幀數(shù)據(jù)為11位。方式2的波特率固定為晶振頻率的1/64或1/32，方式3的波特率由定時器的溢出率決定。

發(fā)送開始時，先把起始位0輸出到TXD引腳，然后發(fā)送移位寄存器的輸出位（D0）到TXD引腳。每一個移位脈沖都使輸出移位寄存器的各位右移一位，并由TXD引腳輸出。

第一次移位時，停止位“1”移入輸出移位寄存器的第9位上，以后每次移位左邊都移入0。當(dāng)停止位移至輸出位時，左邊其余位全為0，檢測電路檢測到這一條件時，控制電路進行最后一次移位并置TI=1，向CPU請求中斷。示意圖如下：

接收時，數(shù)據(jù)從右邊移入輸入移位寄存器，在起始位0移到最左邊時，控制電路進行最后一次移位。當(dāng)RI=0且SM2=0（或接收到的第9位數(shù)據(jù)為1）時，接收到的數(shù)據(jù)裝入接收緩沖器SBUF和RB8（接收數(shù)據(jù)的第9位），置RI=1，向CPU請求中斷。如果條件不滿足，則數(shù)據(jù)丟失且不置位RI，繼續(xù)搜索RXD引腳的負跳變。示意圖如下：

計算波特率：

數(shù)據(jù)傳送的速率稱為波特率（Band Rate），即每秒鐘傳送二進制代碼的位數(shù)，也稱為比特數(shù)，單位為bit/s（bit per second），即位/秒。波特率是串行通信中的一個重要性能指標(biāo)，用于表示數(shù)據(jù)傳輸?shù)乃俣?。波特率越高，?shù)據(jù)傳輸速度越快。波特率和字符實際的傳輸速率不同，字符的實際傳輸速率是指每秒鐘內(nèi)所傳字符幀的幀數(shù)，它與字符幀格式有關(guān)。

要保證串行口通信雙方能夠正確收發(fā)數(shù)據(jù)，就要讓它們使用同樣的波特率來傳輸。

模式0和模式2的波特率是固定的，由系統(tǒng)時鐘頻率fosc 決定。在模式0下，波特率為fosc / 12。

在模式2下，波特率還與PCON寄存器中的SMOD位有關(guān)，其計算波特率的表達式為：波特率 = (fosc × 2SMOD ) / 64。

模式1和模式3的波特率是可變的，由定時器1的溢出率決定，波特率 = (溢出率 × 2SMOD ) / 32。定時器1作為波特率發(fā)生器，需要以方式2，8位自動重裝模式運行，它的溢出率 = fosc / 12 / (256 – TH1)。

以我們常用的9600bps波特率，11.0592MHz晶振為例，計算TH1的值。

定時器每計256 – TH1個數(shù)溢出一次，計一個數(shù)的時間是12T，也就是12 / fosc ，那么定時器溢出一次的時間是(256 – TH1)×(12 / fosc )，溢出率是其倒數(shù)fosc / (12 × (256 – TH))。

把以上結(jié)果帶入波特率計算公式：

9600 = ( (fosc / (12 × (256 – TH1)) ) × 20 ) / 32，得到TH1 = 253，即0XFD。

其實在51單片機的應(yīng)用中，常用的晶振頻率為12 MHz和11．0592 MHz。所以，選用的波特率也相對固定。常用的串行口波特率以及各參數(shù)是可以確定的。串行口工作之前應(yīng)對串口通信進行初始化，主要是設(shè)置產(chǎn)生波特率的定時器1、串行口控制和中斷控制。具體步驟如下：

① 確定T1的工作方式（編程TMOD寄存器）。

② 計算T1的初值，裝載TH1、TL1。

③ 啟動T1（編程TCON中的TR1位）。

④ 確定串行口控制（編程SCON寄存器）。

串行口在中斷方式工作時，要進行中斷設(shè)置（編程IE、IP寄存器）。常用串口波特率與定時初值參考下圖：

結(jié)語：

到此，我們將串口通信的基礎(chǔ)部分內(nèi)容就簡單的介紹完了，因為前幾篇文章都寫得比較長，有幾個初學(xué)者反饋內(nèi)容太長容易看迷糊，所以我還是將這些內(nèi)容分成幾個部分來寫吧。當(dāng)然看電子設(shè)備本來就容易犯困，我寫這些內(nèi)容是希望能夠抓住各個部分的關(guān)鍵知識點或易出問題的地方寫出來，更多詳細的內(nèi)容肯定在課本或芯片數(shù)據(jù)手冊上，所以遇到不懂的問題多問的同時也要多看看資料熟悉。這樣會幫助你更快更好的掌握知識點，而且這個過程也會無形的培養(yǎng)你的自學(xué)能力，同時也可以鍛煉你分析，解決問題的思維。希望看到此處的朋友早日學(xué)成，更上一層樓。如發(fā)現(xiàn)錯誤歡迎指出，如果覺得還不錯也歡迎轉(zhuǎn)發(fā)！