51单片机串口通信相关寄存器及设置指引

51单片机串口通信相关寄存器及设置指引

关键字

SBUF：串口数据缓存寄存器

SCON：串口通信状态控制寄存器

Fosc：晶振的震荡频率

PSW：程序状态字寄存器

1、SBUF数据缓存寄存器

SBUF可直接寻址专用寄存器，是个8位寄存器，不可进行位操作。字节地址99H。

物理上它是两个寄存器，一个发送寄存器，一个接收寄存器。

写数据到SBUF中时（SBUF = 0x52;)，单片机自己会判断是写到发送寄存器。

读取SBUF中数据时（rReg = SBUF;），单片机自己会判断是读取接收寄存器。

接收寄存器是双缓冲的，以避免在接收下一帧数据之前，单片机还来不及响应接收中断，没有把上一帧的数据读取走，而产生两次帧数据重叠问题。

发送寄存器，没有缓冲，发送时单片机直接主动发出数据，不会产生重叠问题。（扩展知识：为了保持最大的传输速率，一般不需要发送寄存器建立双缓冲功能。双缓冲功能有别于发送数据队列缓存区。）

2、SCON串口通讯状态控制寄存器

SCON可直接寻址专用寄存器，是个8位寄存器，可以进行位操作。

SCON用于控制串行通信的模式选择、接收和发送，标识串口的状态。

SCON即可以字节寻址也可以位寻址，字节地址98H，地址位为98H~9FH。

系统复位时，SCON的所有位都被清除。

SCON串口通讯状态控制寄存器的格式及各位的功能定义如下：

●SM0、SM1

SM0和SM1是串口模式选择位。SM0和SM1编码对应串口4种模式，如下表：

●SM2

SM2在模式2和模式3中是多机通信的使能位。

在模式0中，SM2必须为0。

在模式1中，若SM2=1且没有接收到有效的停止位，则接收中断标志位RI不会被激活。在模式2和模式3中若SM2=1且接收到的第9位数据（RB8）为0，则接收中断标志RB8不会被激活，若接收到的第9位数据（RB8）为1，则RI置位。此功能可用于多处理机通信。

●REN

REN为允许串行接收位，由软件置位或清除。置位时允许串行接收，清除时禁止串行接收。(置位:写入1；清除：写入0；)

●TB8

TB8是模式2和模式3要发送的第9位数据。常见通信协议中该位是奇偶位，可以按需要由软件置位或清除。在多处理机通信中，该位用于表示是地址帧还是数据帧。

●RB8

RB8是模式2和模式3中接收到的第9位数据（例如是奇偶位或者地址/数据标识位——地址帧、数据帧），在模式1中若SM2=0，则RB8是已接收的停止位。

在模式0中RB8不使用。

●TI

TI 为发送中断标志位，由硬件置位，软件清除。模式0中在发送第8位末尾由硬件置位；在其他模式时，在发送停止位开始时由硬件置位。TI=1时，申请中断。CPU响应中断后，发送下一帧数据。在任何模式中都必须由软件清除TI。

●RI

RI为接收中断标志位，由硬件置位，软件清除。

模式0中在接收第8位末尾由硬件置位；在其他模式时，在接收停止位的中间由硬件置位。RI=1时，申请中断，要求CPU取走数据。但在模式1中，SM2=1且未接收到有效的停止位时，不会对RI置位。在任何模式中都必须由软件清除RI。

系统复位时，SCON的所有位都被清除。

3.PCON 控制寄存器

PCON控制寄存器是可直接寻址专用寄存器，是个8位寄存器，不可以进行位操作。

PCON的地址为87H只能按字节寻址。

PCON控制寄存器的格式及各位的功能定义如下：

仅SMOD与串口的控制有关，其他位与掉电模式有关。

●GF0、GF1

GF0、GF1通用的标志位，用于一般的用途，对于通用8051系列单片机为通用的标志位。

●PD

PD掉电标志位，对于通用8051系列单片机，PD为1进入掉电状态。

●IDL

IDL休眠模式位，IDLE模式位，对于通用8051系列单片机，IDL为1进入空闲工作模式，在PD和IDL同时为1时，PD优先。

●SMOD

SMOD串行通信波特率系数控制位，串口工作在模式1和模式2时，若使用T1（定时器1）作为波特率发生器其SMOD=1则波特率加倍（见下面详述）。

（1）工作模式0

SM0 = 0，且SM1 = 0时，串口工作在模式0，同步移位寄存器模式。

其数据传输的波特率固定为Fosc/12，数据由RXD引脚输入或输出，同步时钟由TXD引脚输出。接收/发送的是8位数据，传输是低位在前，帧格式如下：

（2）工作模式1

SM0 = 0，且SM1 = 1时，串口工作在模式1，数据传输的波特率由定时/计数器T1、T2的溢出速率决定，可通过程序设定。当T2CON寄存器中的RCLK和TCLK置位时，用T2作为发送和接收波特率发生器，而RCLK = TCLK = 0时，用T1作为波特率发生器，两者可以交叉使用，即发送和接收采用不同的波特率。数据由TXD引脚发送，由RXD引脚接收。

发送或接收一帧的数据为10位，即1位起始位（0）、8位数据位（低位在先）和1位停止位（1）。真格式如下：

类似于工作模式0，当执行任一条“SBUF = xxH;”指令时，就启动串行数据的发送。

在执行写入SBUF的指令时，也将“1”写入发送移位寄存器的第9位，并通知发送控制器有发送请求。实际上，发送过程始于内部的16分频计数器下次满度翻转（全“1”变全“0”）后的那几个机器周期的开始。所以，每位的发送过程与16分频计数器同步，而不是与“写SBUF”同步。

此模式的工作过程包括发送和接收两部分。

当执行任一条写“SBUF = xxH;”指令时，就启动串行数据的发送。在执行写入SBUF 的指令时，也将“1”写入发送移位寄存器的第9位，并使发送控制器开始发送。在这期间，内部的定时保证写入SBUF与激活发送之间有一个完整的机器周期。当发送脉冲有效后，移位寄存器的内容由RXD引脚串行移位输出，移位脉冲由TXD引脚输出。

在发送有效的每个机器周期，发送移位寄存器右移一位，就在其左边补“0 ”。当数据

的最高位移到移位寄存器的输出时，原写入第9位的“1”正好移到最高位的左边一位，由此向左的所有位都为“0”，这标志着发送控制器要进行最后依次移位，并撤消发送有效，同时使发送中断标志TI置位。

当REN = 1且接收中断标志RI位清除时，即启动一个接收过程。在下一个机器周期，接收控制器将“11111110”写入接收移位寄存器，并在下一周期内激发接收有效，同时由TXD引脚输出移位脉冲。在移位脉冲的控制下，接收移位寄存器的内容每一个机器周期左移一位，同时由RXD引脚接收一位输入信号。

每当接收移位寄存器左移一位，原写入的“11111110”也左移一位。当最右边的“0”移到最左边时，标志着接收控制器要进行最后一次移位。在最后移位即将结束时，接收移位寄存器的内容送入到接收数据缓冲寄存器SBUF，然后在启动接收的第10个机器周期时，清除接收信号，将RI置位。

如果在第一个时钟周期中接收到的不是起始位（“0”），就复位接收电路，继续检测RXD引脚上1到0的跳变。如果接收到的是起始位，就将其移入接收移位寄存器，然后接收该帧的其他位。接收到的位从右边移入，原来写入的1从左边移出，当起始位移到最左边时，接收控制器将控制进行最后一次移位，把接收到的第9为数据送到接收数据缓冲器SBUF和RB8，同时置位RI。

在进行最后一次移位时，能将数据送入到接收数据缓冲器SBUF和RB8而且置位RI的条件如下：

● RI = 0，即上一真数据接收完成时，发出的中断请求已经被响应，SBUF中的上一帧数据已经被取走。

● SM2 = 0或接收到的停止位为1。

这两个条件有一个不满足接收到的数据就有可能丢失，并且无法修复；如两者都满足则数据装入SBUF，停止位装入RB8且置位RI。

开始发送后的一个位周期，发送信号有效，开始将起始位送TXD引脚。一位时间后，数据信号有效。发送移位寄存器将数据由低位到高位顺序输出至TXD引脚。一位时间后第一个移位脉冲出现，将最低数据位从右边移出，同时从左边补上“0”。当数据的最高位移到移位寄存器的输出端时，先前写入第9位的“1”正好移到最高位的左边一位，而它的左区全部为“0”。在第10个位周期（16分频计数器回0时），发送控制器要进行最后一次清除发送信号，同时使发送中断标志TI置位。

当REN = 1且接收中断标志RI位清除后，若在RXD引脚上检测到一个由“1”到“0”

的跳变，立即启动一次接收的过程。同时复位16分频计数器，使输入位的边沿与时钟对齐，并将1FFH（9个“1”）写入接收移位寄存器。接收控制器继续以波特率的16倍的速率继续对RXD引脚进行检测，对每一位时间的第7、8、9个计数状态的采样值用多数表决法，当2次或2次以上的采样值相同时，采样值被接受。

（3）工作模式2、工作模式3

当SM0 = 1且SM1 = 0时，串口选择工作模式2，当SM0 = 1且SM1 = 1时，串口选择工作模式3。数据由TXD引脚发送由RXD引脚接收。

发送和接收的一帧信息为11位，即1位起始位（0），9位数位（低位在前，第9位数据位是可编程位）1位停止位（1）。发送时，可编程位（TB8）可赋0或1，接收时可编程位进入SCON中的RB8。帧的格式如下：

（4）波特率计算

串口通讯工作模式0波特率计算公式：

模式0波特率 = fosc / 12

串口通讯工作模式1波特率计算公式：

工作模式1：波特率可变8位异步通信，SMOD为PCON寄存器的最高位值（0或1）

模式1波特率 = (2^SMOD / 32) * 定时器T1的溢出率（注：当SMOD=1时，要比SMOD=0时的波特率加倍，所以也称SMOD位为波特率倍增位）串口通讯工作模式2波特率计算公式：

模式2波特率 = ( 2^SMOD / 64) * fosc

串口通讯工作模式3波特率计算公式：

模式3波特率 = (2^SMOD / 32) * 定时器T1的溢出率术语解释：

溢出速率 = 1 / 溢出时间

溢出时间（相当于定时时间）= （2^8 – TH1初值）* Tcy

机器周期Tcy = 12时钟周期 = 12*（1/fosc）

溢出速率 = 1 / 溢出时间 = 1 / [（256 - TH1初值）* （12 / fosc）] = fosc / [12 *（256-TH1初值）]

计数速率 = 1 / 计数时间 = 1 / （12 / fosc） = fosc / 12

故也可写成：溢出速率＝计数速率 / （256－TH1初值） = fosc / [12 *（256-TH1初值）]

（5）经验

一般来说，定时器模式2用来确定波特率是比较理想的，它不需要中断服务程序设置初值，且算出的波特率比较准确。在用户使用的波特率不是很低的情况下，建议使用定时器T1的模式2来确定波特率。定时器模式1或模式3定时，常用T1作为波特率发生器。

而对于定时器模式0和模式1的最大特点是计数溢出后，计数器为全0。因而在循环定时或循环计数应用时就存在反复装入计数初值的问题。这不仅影响定时精度，而且也给程序设计带来麻烦。模式2就是针对此问题而设置的。定时器/计数器的模式2位自动恢复初值的（初值自动装入）8位定时器/计数器，TLX作为常数缓冲器，当TLX计数器溢出时，在置1溢出标志位TFX的同时，还自动的将THX中的初值送入至TLX，使TLX从处置开始重新计数。这种模式可以省去用户软件中重装处置的程序，简化定时器初值的计算方法，可以相当精确的确定定时时间。

而定时器模式3是为了增加1个附加的8位定时器/计数器而提供的，从而使MCS-51具有3个定时器/计数器。模式3只适用于定时器/计数器T0，定时器/计数器T1不能工作在模式3。T1处于模式3时相当于TR0=0，停止计数（此时T1可以用来做串口波特率发生器。）

延伸阅读

1. 机器周期、时钟周期

机器周期又叫时钟周期，也叫振荡周期或晶振周期，即晶振的单位时间发出的脉冲数，一般有外部的振晶产生，发出一个脉冲的时间就是时钟周期，也就是1/12微秒。通常也叫做系统时钟周期。是计算机中最基本的、最小的时间单位。

在通用的8051系列单片机单片机中把一个时钟周期定义为一个节拍（用P表示），二个节拍定义为一个状态周期（用S表示）在计算机中，为了便于管理，常把一条指令的执行过程划分为若干个阶段，每一阶段完成一项工作。例如，取指令、存储器读、存储器写等，这每一项工作称为一个基本操作。完成一个基本操作所需要的时间称为机器周期。8051系列单片机单片机的一个机器周期同6个S周期（状态周期）组成。

2. PSW 程序状态字寄存器

PSW程序状态字寄存器的格式及各位的功能定义如下：

CY(Carry)：CY表示加法运算中的进位和减法运算中的借位，加法运算中有进位或减法运算中有借位则CY位置1，否则为0。

AC（Auxiliary Carry)：与CY基本相同，不同的是AC表示的是低4位向高4位的进、借位。F0：该位是用户自己管理的标志位，用户可以根据自己的需要来设定。

3. RS0、RS1工作寄存器选择

RS0、RS1这两位用于选择当前工作寄存器区。

通用8051系列单片机有8个8位寄存器R0~R7，它们在RAM中的地址可以根据用户需要来确定。

RS0、RS1：R0~R7的地址 0 0： 00H~07H 0 1： 08H~0FH 1 0： 10H~17H 1 1： 18H~1FH 4. OV溢出标识

该位表示运算是否发生了溢出。若运算结果超过了8位有符号数所能表示的范围，即－128 ~ +127，则 OV = 1。

5. 6.PSW.1位保留位，未用

6. P：P是奇偶标志位。若累加器A中1的个数为奇数，则P = 1；若累加器A中1的个数为偶数，则P = 0。

7. 单片机中断使能/激活条件

一个中断源的中断请求被响应，需要满足什么哪些必要条件？

●全局中断允许开关接通，即IE寄存器中的中断总允许位EA=1

●该中断源发出中断请求，即该中断源对应的中断请求标志位1

●该中断源的中断允许位为1，即该中断被允许

●无同级或更高级中断正在被服务