3.11.2 单片机的串行口的设计原理
89系列单片机具有一个可编程的全双工串行I/O口，通过TXD（串行数据发送端）和RXD（串行数据接收端）与外界进行通信，它可以作为通用异步接收和发送器（UART），也可以作为同步移位寄存器。
1.串行口的内部结构
单片机串行口的内部结构图如图3.51所示，内部由两个物理上独立的数据缓冲器SBUF（接收数据缓冲器和发送数据缓冲器）、接收控制器、输入移位寄存器、逻辑门、发送控制器、接收控制器、串行口控制寄存器（SCON）、波特率发生器T1、接收端（RXD）和发送端（TXD）等组成。
发送电路由“SBUF”（发送）和“发送控制器”等电路组成，用于串行口的发送；接收电路由“SBUF”（接收）、“接收移位寄存器”和“接收控制器”等组成，用于串行口的接收。“SBUF”（发送）和“SBUF”（接收）都是8位缓冲寄存器，前者用于存放将要发送的数据；后者用于存放串行口接收的数据。它们共用一个端口地址SBUF（99 H），CPU可以通过执行不同指令对它们进行存取。
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。SBUF与移位寄存器构成了串行接收的双缓冲器结构，以避免在接收时产生两帧重叠问题。对于发送控制器，因为发送时CPU是主动的，不会产生写重叠问题，一般并不需要双缓冲结构，以保持最大的传输速率。
串行口的正常工作除了数据缓冲器SBUF以外，还需要串行口控制寄存器（SCON）、电源控制寄存器（PCON）来配合工作。下面介绍这些寄存器的结构及参数设置。
图3.51 单片机串行口内部结构图
（1）发送缓冲器SBUF和接收缓冲器SBUF：二者在物理上相互独立，可同时发送、接收数据。发送缓冲器用于存放准备发送出去的数据，只能写入、不能读出；接收缓冲器用于接收由外部输入移位寄存器中的数据，只能读出、不能写入。两个缓冲器共用一个字节地址（99H），通过读/写指令区别是对哪个SBUF进行操作。
（2）波特率发生器：利用定时器T1的作用产生收发过程中节拍控制的通信时钟，控制发送和接收速率。
（3）发送控制器：在逻辑门电路和定时器T1的配合下，将发送缓冲器SBUF中的并行数据转为串行数据，并自动添加起始位、奇偶校验位、停止位。这一过程结束后自动使发送中断请求标志位TI置位，用于通知CPU将发送缓冲器SBUF中的数据输出到TXD引脚。
（4）接收控制器：在输入移位寄存器和定时器T1的配合下，来自RXD引脚的串行数据转为并行数据，并自动过滤掉起始位、奇偶校验位、停止位。这一过程结束后，接收中断请求标志位RI自动置位，用于通知CPU将接收的数据存入接收缓冲器SBUF。
（5）输入移位寄存器：输入1个串行数据，转化为输出是8个并行的数据。
（6）串行口控制寄存器（SCON）：用于存放串行口的控制和状态信息。
（7）RXD（P3.0）和TXD（P3.1）：用于串行信号或时钟信号的输入或输出。
2.串行口的控制与管理
1）串行口控制寄存器（SCON）
SCON是一个可位寻址的特殊功能寄存器，用于设定串行口的工作方式、控制串行口的接收/发送及状态标志，单片机复位时，SCON中的所有位均为0，SCON的字地址为98H，位地址为98H～9FH。SCON如表3.16所示。
表3.16 SCON（串行口控制寄存器）
串行口控制寄存器（SCON）在SFR中的物理地址为98H，是可位寻址的特殊功能寄存器，用于通信方式的选择，接收和发送控制通信状态的指示。
工作方式0主要用于单片机I/O的扩展，在数据的输入和输出控制中，RXD作为数据线，TXD输出同步时钟脉冲。而且在工作方式0下，以8位数据位为一帧，不设起始位和停止位，先发送或接收最低位。波特率固定位晶振频率的1/12。
工作方式1用于10位数据的发送（TXD引脚发送）或接收（从RXD引脚接收）：1个启动位，8个数据位，1个停止位。在接收数据时，停止位被送入特殊功能寄存器SCON的RB8。波特率是可变的。
工作方式2和工作方式3的数据帧格式都是11位，其中1个启动位，9个数据位，1个停止位。可编程位（D8）可以由软件赋予0或1，存放在TB8中，发送时连同8位数据共同通过通信总线发出。接收端收到数据后，接收的D0～D7数据在接收SBUF内，发送的可编程位存入RB8中。工作方式2的波特率可为1/32或1/64晶振频率；工作方式3的波特率是可变的，可通过定时器T1设定。
2）电源控制寄存器（PCON）
PCON主要是为了在单片机上实现电源控制而设置的，其字节地址为87H，不能进行位寻址，在串行通信时只用了PCON中的SMOD位。PCON如表3.17所示。
表3.17 PCON（电源控制寄存器）
3.串行口工作方式
串行口和定时器一样，也需要用程序来设置工作方式，另外，它还有一个波特率的设置。
单片机串行口有四种工作方式，即工作方式0、工作方式1、工作方式2、工作方式3，由串行口控制寄存器SCON中SM0、SM1这两位进行定义，编码如表3.16中所示。
1）工作方式0
串行口的工作方式0为同步移位寄存器的输入/输出方式，主要用于扩展并行输入或输出口数据，由RCD（P3.0）引脚输入或输出，同步移位脉冲由TXD（P3.1）引脚输出。发送和接收的数据均为没有起始位和停止位的8位数据，低位在先，高位在后，波特率固定为fosc/12。
2）工作方式1
串行口的工作方式1为10位数据的异步串行通信方式。1帧数据的格式如图3.52所示，其中包括1个起始位、8个数据位和1个停止位。TXD为数据发送引脚，RXD为数据接收引脚。
图3.52 工作方式1的帧格式
3）工作方式2
串行口的工作方式2为9位数据的异步串行通信方式。1帧数据的格式如图3.53所示，其中包括1个起始位、8个数据位、1个可程控位和1个停止位。
4）工作方式3
串行口的工作方式3为9位数据的异步串行通信方式。除了波特率外，工作方式2和工作方式3的其他功能格式相同。工作方式3的波特率也可调，其值由定时器T1的溢出率与SMOD的值共同决定，与工作方式1的波特率相同。
图3.53 工作方式2的帧格式
4.波特率的设定
1）波特率的来源
8XX51的波特率发生器的时钟来源有以下两种：
一是来自系统时钟的分频值，由于系统时钟的频率是固定的，所以此种方式的波特率是固定的；
另一种是由定时器T1提供的，波特率由T1的溢出率控制，T1的计数初值是可以用软件改写的，因此是一种可变波特率方式，此时T1工作于工作方式2（8位自动重装入方式）。
2）波特率的计算
串行通信，发送方把二进制数一位位地传送出去，接收方一位位地接收，双方的传输速率配合相当重要，发送方和接收方的波特率应该相等。波特率表示每秒传送二进制数的位数，它是串行口发送和接收的移位脉冲频率，因此，设置通信的波特率非常重要。
式中：SMOD是电源控制寄存器（PCON）中的一位（最高位），该位用于对波特率加倍，工作方式0和工作方式2的波特率基本上是固定的，由晶振频率fosc决定，不可轻易改变。
工作方式1和工作方式3的波特率，则可以由设定T1的初值进行任意改变。
工作方式1和工作方式3的波特率=（2 SMOD/32）×T1溢出率
如果T1工作于自动重置初值方式（工作方式2），则波特率为
反过来定时器T1在工作方式2时的初值为
如果晶振频率fosc=12 MHz，SMOD=1，拟设定波特率为4800 b/s，则定时器T1在工作方式2下的初值为
注意：在求X时，由于只能取整数，X的值一般是近似值，由它返回计算出的波特率存在较大的误差，这时需要综合考虑波特率和SMOD位的选定，使误差降到最低。
AT89S51/AT89S52的波特率发生器可以由定时器1或定时器2实现。
（1）使用定时器1。
工作方式1的波特率是可变的，其波特率由定时器1的计数溢出率决定，其公式为
工作方式1的波特率（BR）=2SMOD/32×定时器T1的溢出率
式中：SMOD为PCON最高位的值，SMOD=1表示波特率加倍。
当定时器1（也可使用定时器2）作为波特率发生器使用时，通常选用定时器1的工作方式。注意：不要把定时器/计数器的工作方式与串行口的工作方式混淆！
工作方式2的计数结构为8位，假定计数初值为Count，则定时时间T=（256-Count）×Tcy，从而在1 s内发生溢出的次数（溢出率）为1/［（256-Count）×Tcy］，其波特率为2SMOD/32×［（256-Count）×Tcy］。
对具体的单片机系统而言，其时钟频率是固定的，从而机器周期也是可知的，所以在上面的公式中，有波特率和计数初值两个变量。只要已知其中一个变量的值，就可以求出另一个变量的值。
在串行口工作方式中，之所以选择定时器的工作方式2，是由于工作方式2具有自动加载功能，从而避免了通过程序反复装入计数初值而引起的定时误差，进而使得波特率更加稳定。
工作方式1的常用波特率如表3.18所示。
表3.18 工作方式1的常用波特率
（2）使用定时器2。
AT89S52的单片机配置定时器2，设置定时器2工作在波特率发生器工作方式，定时器2的溢出脉冲经16分频后作为串行口发送脉冲、接收脉冲。发送脉冲、接收脉冲的频率称为波特率，其计算公式为
式中：（RCAP2 H，RCAP2 L）为16位寄存器的初值（定时常数），寄存器RCAP2H和RCAP2L的值由软件预设。