51单片机 | 串口工作原理知识点汇总

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理论概念

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不同型号的单片机使用的串口不同，根据需求选择相应的单片机，在有些场合如果单片机如果没有需要的串行通信接口，则可以通过单片机的I/O口进行模拟。
全双工UART（异步串行通信接口）

UART有两种工作状态：

同步串行通信状态：速率高，硬件电路复杂，需要同时使用两条信号线，所以只能使用单工方式或半双工方式工作。
异步串行通信状态：方式简单，传输速率不高，应用广泛，方便与其他通信标准进行衔接。

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异步传输工作方式：

传输效率较低，起始位，校验位，停止位占用的位较多

数据格式：

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同步传输工作方式：

双方同时使用两条通信线：
- 一条用于产生时钟并要求发送和接受的双方必须保持完全同步（一般情况下，时钟信号由发送端提供）。
- 另一条用于传送数据。
- 如果需要双向数据传输，需要再多添加两条通信线（MCS-51不支持同时的双向数据同步传输，只能使用分时复用）。
除了用于通信外，同步方式还可以用于I/O口的扩展，与74LS164联合使用时扩展成输出口，与74LS165联合使用时扩展成输入口。
因为没有附加起始位和停止位，所以传输效率较高
一旦发现数据出错，所有的数据都需要重新传输，大量数据一次性传输时错误的概率较高。
远距离通信时，通过调试解调从数据流中提取同步信号，用锁相的技术使接收方得到与发送方相同的时钟信号。时钟信号线与数据线分离可以实现高效率、大容量的数据通信。

数据格式：

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使用方式

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使用的寄存器：

串行接口寄存器 SCON：规定了串行通信的方式和功能，可以选择通信模式/允许接收/检查状态位
电源控制寄存器 PCON

SMOD = 0 波特率为原值；

SMOD为1 波特率提高一倍。

只有SMOD位对串口通信有影响

注：该寄存器不能进行位寻址，只能整字节操作。

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工作方式：

p.s.：UART有一个接收数据缓冲区，当上一个字节未被处理时下一个字节收入缓冲区。但如果在下一个字节接收完毕时前一字节还未处理，则上一个字节会被覆盖掉。因此软件必须在下一个字节接收完毕之前处理上一个字节（当连续发送字节时也是如此）。

用途：可以用来和某些具有8位串行口的EEPROM器件通信

原理：
- RXD从低位开始收发数据，TXD从发送同步移位脉冲。
- 向SBUF写入字节时开始发送数据，发送完毕后TI位置位。
- 置位REN时，开始接收数据，接收完8位数据后RI位置位。
方式1：10位数据的异步通信口，波特率可变（与T1的溢出率有关）。RXD为数据接收，TXD为数据发送。

数据帧格式：

原理：
- 软件置REN为1时，接收器选择波特率为16倍速率采样RXD引脚电平，当检测到RXD引脚输入电平发生负跳变（1->0）说明起始位有效，移入输入移位寄存器并开始接收这一帧信息的其余位。需要手动清零
- 接收过程中，数据从输入移位寄存器右边移入，起始位移至输入移位寄存器最左边时，控制电路进行最后一次移位。当RI=0且SM2=0（或接收到的停止位为1）时，接收到的9位数据的前8位装入接收SBUF，第9位（停止位）进入RB8并置RI=1，向CPU请求中断。RI需要手动清零
波特率计算装入TH1的初值：

p.s. SMOD=0时，K=1；SMOD=1时，K=2；
代码示例：
```
 1 #include <reg51.h>
 2 main()
 3 {
 4     TMOD = 0x20;
 5     SM0 = 0;
 6     SM1 = 1;
 7     REN = 1;
 8     PCON = 0;
 9     TH1 = 0xFD; //253=256-(1*11.0592*10^6)/(384*9600)
10     TL1 = 0xFD;
11     TR1 = 1;
12     P1 = SBUF;
13     while(!RI);
14     RI = 0;
15     SBUF = P1;
16     while(!TI);
17     TI = 0;
18 }
```
数据帧格式：起始位1位，数据9位（第9位在发送时为TB8，接收时为RB8）

原理：
- 发送开始时，先把起始位0输出到TXD引脚，然后发送移位寄存器的输出位D0到TXD引脚，每一个移位脉冲都使输出移位寄存器的各位向右移一位，并由TXD引脚输出。第一次移位时，停止位"1"移入输出移位寄存器的第9位，以后每次移位左边都移入0。当停止位移至输出位时，左边其余位全为0，当检测到这一条件时，控制电路进行最后一次移位并置TI=1，请求中断。需要手动清零
- 接收数据时，数据从右边移入输入移位寄存器，在起始位0移到最左边时，控制电路进行最后一次移位。当RI=0且SM2=0（或接收到的第9位数据为1）时，接收到的数据装入接收缓冲器SBUF和RB8（接收数据的第9位），置RI=1，向CPU请求中断。如果条件不满足，则数据丢失且不置位RI，继续搜索RXD引脚的负跳变。
代码示例：多机互联
```
 1 TMOD = 0x20;
 2 TH1 = 0xFD;
 3 TL1 = 0xFD;
 4 PCON = 0x00;
 5 TR1 = 1;
 6 SCON = 0xF8;
 7 SBUF = 0x01;
 8 while(!TI);
 9 TI = 0;
10 P3_5 = 0;
11 SM2 = 0;
12 while(!RI);
13 RI = 0;
14 P2 = SBUF;
15 SM2 = 1;
16 P3_5 = 1;
```