第十章 串行接口及可编程接口芯片8251A
可编程串行通信接口芯片8251A
可编程串行通信接口芯片8251A可编程串行通信接口芯片8251A2010-05-25 15：058251 A是一个通用串行输入/输出接口，可用来将86系列CPU以同步或异步方式与外部设备进行串行通信。
它能将主机以并行方式输入的8位数据变换成逐位输出的串行信号；也能将串行输入数据变换成并行数据传送给处理机。
由于由接口芯片硬件完成串行通信的基本过程，从而大大减轻了CPU的负担，被广泛应用于长距离通信系统及计算机网络。
8251A是一个功能很强的全双工可编程串行通信接口，具有独立的双缓冲结构的接收和发送器，通过编程可以选择同步方式或者异步方式。
在同步方式下，既可以设定为内同步方式也可以设定为外同步方式，并可以在内同步方式时自动插入一个到两个同步字符。
传送字符的数据位可以定义为5~8位，波特率0~64K可选择。
在异步方式下，可以自动产生起始和停止位，并可以编程选择传送字符为5~8位之间的数据位以及1、1/2位之中的停止位，波特率0~19.2K可选择。
同步和异步方式都具有对奇偶错、覆盖错以及帧错误的检测能力。
一、8251A内部结构及功能图8.5.1为8251A结构框图。
作为常用的通信接口，和8255A类似，8251A 的结构也可以归纳为以下三个部分：第一部分是和CPU或者总线的接口部分，其中包括数据总线缓冲器、读/写控制逻辑。
数据总线缓冲器用来把8251A和系统数据总线相连，在CPU执行输入/输出指令期间，由数据总线缓冲器发送和接收数据，此外，控制字，命令字和状态信息也通过数据总线缓冲器传输，读/写控制逻辑电路用来配合数据总线缓冲器工作。
CPU通过数据总线缓冲器和读写控制逻辑向8251A写入工作方式和控制命令字，对芯片初始化；向8251A写入要发送字符的数据代码，送到发送缓冲器进行并行到串行的转换，并且将接收的、已转换成并行代码的接收缓冲器中的字符数据读入CPU。
第二部分是数据格式转换部分，包括发送缓冲器、并行数据到串行数据转换的发送移位器，接收缓冲器和串行数据到并行数据转换的接收移位器，以及发送控制电路和接收控制电路。
8251芯片介绍
(1) 单工通信：它只允许一个方向传输数据，不能进行反方向传输。
(2) 半双工通信：它允许两个方向传输数据，但不能同时传输，只能交替进行，A发B收或B发A收，这种协调可以靠增加接口的附加控制线来实现，也可用软件约定来实现。
(3) 全双工通信：它允许两个方向同时进行数据传输，A收B发的同时可A发B收，但是这两个传输方向的资源必须完全独立，A与B都必须有独立的接收器和发送器，从A到B和从B到A的数据通路也必须完全分开(至少在逻辑上是分开的)。
8251作用、特点具有同步/异步的接受/发送功能它能将并行输入的8位数据变换成逐位输出的串行信号；也能将串行输入数据变换成并行数据，一次传送给处理机。
广泛应用于长距离通信系统及计算机网络。
8251A由发送器、接收器、数据总线缓冲存储器读/写控制电路及调制/解调控制电路等5部分组成，各组成部分的工作过程：8251A的发送器包括发送缓冲存储器，CPU用OUT指令将要发送的数据送入到8251A的数据总线缓冲器，再并行送入发送数据缓冲器中。
当TxRDY有效时，将数据送移位寄存器将并行数据转换为串行数据并格式化后，经TxD引脚串行输出。
发送移位寄存器(并→串转换)及发送控制电路3部分，CPU需要发送的数据经数据发送缓冲存储器并行输入，并锁存到发送缓冲存储器中。
如果是采用同步方式，则在发送数据之前，发送器将自动送出一个(单同步)或两个(双同步)同步字符(Sync)。
然后，逐位串行输出数据。
如果采用异步方式，则由发送控制电路在其首尾加上起始位及停止位，然后从起始位开始，经移位寄存器从数据输出线T X D逐位串行输出，其发送速率由T X C端上收到的发送时钟频率决定。
当发送器作好接收数据准备时，由发送控制电路向CPU发出T X RDY有效信号，CPU立即向8251A 并行输出数据。
如果8251A与CPU之间采用中断方式交换信息，那时T X RDY作为向CPU发出的发送中断请求信号。
串行通信ppt课件
第10章 串行通信
（2）起始位的检测
必须确定起始位才能开始接收数据，即实现位同步。 数据接收时钟RCLK使用16倍波特率的时钟信号。接收器 用RCLK检测到串行数据输入引脚SIN由高电平变低后，连续 测试8个RCLK时钟周期，若采样到的都是低电平，则确认为 起始位。 确认了起始位后每隔16个RCLK时钟周期对SIN输入的数据 位进行采样一次，直至规定的数据格式结束。
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第10章 串行通信
TxD 发送数据——串行数据的发送端。 RxD 接收数据——串行数据的接收端。 GND 信号地——为所有的信号提供一个公共的参考电平 RTS 请求发送——当数据终端设备准备好送出数据时，就发出有效的 RTS信号，用于通知数据通信设备准备接收数据。 CTS 清除发送——当数据通信设备已准备好接收数据终端设备的传送 数据时，发出CTS有效信号来响应RTS信号。 DTR 数据终端准备好——通常当数据终端设备一加电，该信号就有效， 表明数据终端设备准备就绪。 DSR 数据装置准备好——通常表示数据通信设备(即数据装置)已接通 电源连到通信线路上，并处于数据传输方式，而不是处于测试方式或 断开状态。 CD 载波检测——当本地调制解调器接收到来自对方的载波信号时，就 从该引脚向数据终端设备提供有效信号。该引脚缩写为DCD。 RI 振铃指示——当调制解调器接收到对方的拨号信号期间，该引脚 信号作为电话铃响的指示，保持有效。
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第10章 串行通信
2．结构
其中寄存器： THR、TSR RBR、RSR LCR LSR DLH DLL MCR MSR IER IIR
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第10章 串行通信
（1）串行数据的发送
CPU送来的并行数据存在发送保持寄存器THR中。 只要发送移位寄存器TSR中没有正在发送的数据， 发送保持寄存器的数据就送入TSR 。 与此同时，8250按照编程规定的起止式字符格式， 加入起始位、奇偶校验位和停止位，从串行数据输 出引脚SOUT逐位输出。 因为THR、TSR采用双缓冲寄存器结构，所以在 TSR进行串行发送的同时，CPU可以向8250提供下 一个发送数据到THR，这样可以保证数据的连续发 送。
串行通信和可编程串行接口芯片8251A
控制线的连接
控制线用于控制8251a芯片的工作方式和状态，如起始位、 停止位、波特率等。
控制线通常由微处理器通过编程设置，以实现串行通信的参 数配置和控制。
地址线的连接
地址线用于标识8251a芯片在系统中的地址，以便微处理 器能够正确寻址和访问。
02
movwf CR ; 将值写入CR寄存器
03 movlw 0x01 ; 设置IER寄存器，允许接收中断
初始化编程
movwf IER ; 将值写入IER寄存器
```ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
数据发送编程
01 发送步骤
02
将数据写入发送缓冲寄存器（THR）。
03
通过设置控制寄存器（CR）的发送使能位启动发送过
程。
数据发送编程
编程控制
通过编程控制8251A的工作模式、 波特率、数据位、停止位等参数， 实现灵活的串行通信功能。
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THANKS
05 串行通信协议及8251a的 应用
RS-232C协议
定义
RS-232C是一种标准的串行通信协议，用于 连接计算机和其他设备。
特点
采用单端信号传输方式，具有高电平、低电 平两种逻辑状态，传输距离较近。
应用
常用于连接计算机和调制解调器、打印机等 低速设备。
RS-485协议
定义
RS-485是一种改进的串行通信协议，克服了RS-232C传输距离较 近的限制。
• 数据发送代码示例
数据发送编程
01
```
02
movlw 0x12 ; 要发送的数据是0x12
03
8-3串行接口芯片8251A
串行接口芯片8251A8251A基本功能⏹可用于同步和异步通信方式（通信方式通过对方式字编程实现）：☐同步方式：波特率0-64Kbps，每个字符可为5~8位，可使用内部同步检测和外部同步检测，能自动插入同步字符。
☐异步方式：波特率0-19.2Kbps，每个字符可为5~8位，自动增加起始位、停止位和校验位。
时钟TxC，RxC的时钟频率为传输波特率的1，16和64倍。
⏹全双工，具有双缓冲器接收器和发送器；⏹出错检测，具有奇偶、溢出和帧错等检测电路。
8251A的内部结构8251A的内部结构主要包括：数据总线缓冲器、接收缓冲器、接收控制电路、发送缓冲器、发送控制电路、调制/解调控制电路、读/写控制逻辑电路等数据总线缓冲器发送缓冲器发送控制电路接收缓冲器接收控制电路D0～D7SYNDETRxDRxRDY读写控制电路C / DCLKRESETRDWRCSDSRCTSDTRRTSRxCTxCTxETxRDYTxD调制解调控制电路内部总线8251A的内部结构⏹发送器：包括发送缓冲器和发送控制电路☐采用异步方式时，则由发送控制电路自动在其首尾加上起始位、奇偶校验位和停止位，然后从起始位开始，经移位寄存器从数据输出线TxD逐位串行输出。
发送速率取决于TxC接收的发送时钟频率，可以编程定义是发送速率的1、16、64倍。
8251A的内部结构☐采用同步方式，则在发送数据之前，发送器将自动送出1个或2个同步字符，然后才逐位串行输出数据。
◆如果CPU与8251A之间采用中断方式交换信息，那么TxRDY可作为向CPU发出的中断请求信号，表示发送缓冲器已空，可以接收CPU下一个数据。
◆当发送器中的8位数据串行发送完毕时，由发送控制电路向CPU发出TxE有效信号，表示发送器中移位寄存器已空。
8251A的内部结构⏹接收器：包括接收缓冲器和接收控制电路从RxD引脚上接收串行数据转换成并行数据后存入接收缓冲器。
☐异步方式：在RxD线上检测低电平，将检测到的低电平作为起始位，8251A开始进行采样，完成字符装配，并进行奇偶校验和去掉停止位，变成了并行数据后，送到数据输入寄存器，同时发出RxRDY信号送CPU，表示已经收到一个可用的数据。
8251可编程串行接口实验
集美大学计算机工程学院实验报告课程名称微机系统与接口技术实验名称实验四8251可编程串行接口实验实验类型设计型姓名学号日期地点成绩教师第1页共8页1. 实验目的及内容 1.1实验目的1、了解8251的内部结构、工作原理及与8086的接口逻辑；2、掌握8251的初始化编程方法，学会使用8251实现设备之间的串行通信。
1.2实验内容1）设计8251与8086CPU 的硬件连接图，分配8251的基地址为0FF00H 。
8251的CLK 引脚需接4MHZ 的时钟。
2）设计8251的硬件连接及编写程序，实现自发自收。
把内存中的字符串，依次传送出去，并接收回来，然后把接收回来的字符显示在LED 上。
使用8253作分频器提供8251的收发时钟，并给出程序流程图。
3）计算你所设计的串行通信的波特率为多少？本次设计实验中，我所设计的通信的波特率为19200，波特率因子为16。
4）设计8251的硬件连接及编写程序，实现从PC 机的串行通信测试软件向8251发送一批数据，8251接收完数据之后，再将数据依次发送回去。
使用8253作分频器提供8251的收发时钟，并给出程序流程图。
2. 实验环境星研电子软件，STAR 系列实验仪一套、PC 机一台、导线若干3. 实验方法8251是通用同步/异步接收发送器，可用作CPU 和串行外设的接口电路，它的工作各种工作方式及工作进程都是用初始化及实时控制实现的，编程时，方式指令紧接在复位后由CPU 写入，用来定义8251A 的一般工作特性；在写入方式指令的前提下由CPU 写入同步字符和命令指令用来指定芯片的实际操作。
根据实验要求，需完成一下两个方面的问题：(1)8253对收发时钟的分频。
8253的CLK 接频率发生器的2MHZ ，初值赋给104，得到收发时钟为19200HZ 。
(2)利用8251实现自发自收。
8251的方式命令字：停止位为1，产生偶校验，字符长度为8位，波特率因子为16位；命令指令字：出错标志复位，允许发送，允许接收。
可编程串行通信接口芯片8251A
• 2）在同步发送方式中，发送缓冲器在准备发送的数据前面先插入由初始化程序设 定的一个或两个同步字符，在数据中插入奇偶校验位。然后在发送时钟TXC的作用 下，将数据逐位地由TXD引脚发送出去。
能根据编程为每个字符设置1个、1.5个或2个停止位。 • （4）所有的输入输出电路都与TTL电平兼容。 • （5）全双工双缓冲的接收/发送器。
2
1.1 8251A内部逻辑与工作原理
• 8251A的结构框图如图1.1所示，可分五个主要部分：写控制逻辑电路和调制解调控制电路。
6
（3）接收缓冲器
• 1）在异步接收方式，当“允许接收”和“准备好接收数据”有效时，接收缓冲器 监视RXD线。在无字符传送时，RXD线上为高电平，当RXD线上出现低电平时，即 认为它是起始位，就启动接收控制电路中的一个内部计数器，计数脉冲就是8251A 的接收时钟脉冲RXC，当计数器计到一个数据位宽度的一半（若时钟脉冲频率为波 特率的16倍，则计数到第8个脉冲）时，又重新采样RXD线，若其仍为低电平，则 确认它为起始位，而不是噪声信号。
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• 1．方式选择控制字：根据题意，方式选择控制字为00111000B（即38H），写入控 制端口，端口地址为91H。
• 2．命令控制字：设置为10010111B（即97H），使8251A进入同步字符检测，出错 标志复位，允许发送和接收，置引脚有效，写入控制端口，端口地址为91H。
• 3．同步字符：2个同步字符，均为3AH。 • 4．初始化程序：
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1.3 8251A的控制字
第十章 串行通信
A机 2 TXD 3 RXD 7 2 3 7
B机 TXD RXD
4 5 6 20
4 5 6 20
2.远距离连接（>15m） 1）需用MODEM和专用电话线 2）需用2～9条信号线（在接口与MODEM之间）
计 算 机 口 TXD 2 RD X RTS ┇ CTS DSR SG DCD 调 制 解 调 器 调 制 解 调 器 TXD RXD RTS CTS DSR SG DCD 2 终 ┇ 端
三、RS-485接口标准 三、RS-485接口标准
1.特点： 1.特点： （1）兼容RS-422A，扩展RS-422A的功能； ）兼容RS-422A，扩展RS-422A的功能； （2）允许在电路中有多个发送器和允许一个发送器 驱动多个接收器，多达32个收/ 驱动多个接收器，多达32个收/发器； （3）搞干扰能力强，传送距离远，传输速率高。 数传率：100Kbps 数传率：100Kbps <1.2Km 不用MODEM 不用MODEM 9.6Kbps <15Km 10Mbps <15m
2、串行同步通讯：以数据块为信息单位传送。数据块内是同步的。
SYN SYN SOH 标题 STX
数据块 ETB/ETX 块校验
串行异步通信协议
1.格式 ①每个字符总是以起始位开始（“0”），以停止位（“1”）结 束。 ②字符之间没有时间间隔要求 ③字符后一位校验位（可没有）
1 0 1 0 0 起始位 0 低 数据位
3.全双工(Full Duplex） 数据的发送和接收分别由两根可以在两个不同的站点同 时发送和接收的传输线进行传送，通信双方都能在同一时刻 进行发送和接收操作，选择的传送方式称为全双工制。
A站 发送器 接收器
B站 发送器 接收器
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性要求不高，只要相近就可以，所以收发双方可用各自独 立的同频时钟。 简言之：字符间异步，字符内部各位同步。
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回顾 异步通信方式（续）
数据格式
每个字符（每帧信息）由4个部分组成：
1位起始位，规定为低电0； 5～8位数据位，即要传送的有效信息； 1位奇偶校验位； 1～2位停止位，规定为高电平“1”。
1. 8251A的内部结构和引脚 2. 8251A的初始化编程 3. 8251A应用举例
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回顾
异步通信方式
概念
指数据传送以字符为单位，字符与字符间的传送是完全异 步的，位与位之间的传送基本上是同步的。
特点
以字符为单位传送信息。 相邻两字符间的间隔是任意长。 收、发间字符传送的同步是依靠协议来实现的，而字符内
微机原理与汇编语言
第十章 串行接口及可编程接口芯片8251A
合肥工业大学计算机与信息学院 2013-09
第十章 串行接口及可编程接口芯片8251A 数据传输（通信）
并行传输
串行传输
2
第十章 串行接口及可编程接口芯片8251A
10.1 串行通信概述 10.2 可编程串行通信接口芯片8251A 10.3 RS-232C串行口
异步通信方式
字符与字符间的传送是完全异步的，位与位之间的传送基 本上是同步的（借助起始位和停止位同步）。
传送速度一般在50~19200波特之间。 常用于计算机和CRT终端、字符打印机之间的通信。
8
10.1 串行通信概述
串行传送速率
波特率（Baud Rate）
定义：单位时间（每秒）内传送二进制数据的位数。它是 衡量串行数据传送速度的重要参数。
单位：波特（位/秒） 计算方法：波特率=数据传送速率(字符/秒)×字符位数
【举例】一个串行字符由1个起始位、7个数据位、1个奇偶 校验位和1个停止位组成，每秒传送120个字符，则数据传 送的波特率为：
120字符/秒×10=1200位/秒=1200波特（即每位占用0.833毫秒）
异步串行传送常用的波特率：110、300、600、1200、 2400、4800、9600、19200、28800、36400、57600波特。
异步通信的每个字符由四部分组成。
通信帧
①
②
③ ④
★ 两个相邻字符间的间隔叫空闲位（MARK状态，高电平），任意个。
6
10.1 串行通信概述
串行通信的两种基本工作方式（续）
同步通信方式（SYNC）
以数据块（一组字符）为单位。通信中每个字符间的时间
间隔是相等的，而且每个字符中各相邻位代码间的时间间
表示已收到一个字符数据，可送往CPU。 当CPU从接收数据缓冲器读取该字符后，复位为低电平，待
接收到一个新字符，又变为高电平。 该信号与CPU的工作方式可以是中断方式或查询方式(作为
联络信号)。
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10.2.1 8251A的内部结构和引脚
接收器和接收控制电路（续）
SYNDET/BRKDET(Sync Detect/Break Detect)——同步检 测/断点检测，输入或输出。
基本性能
可用于同步或异步传送。 在同步方式中，可进行5～8位字符的操作，可用内部或
外部同步，自动插入同步字符。 在异步方式中，可进行5～8位字符的操作，波特率系数
可为1、16或64。 可产生1、1.5或2位的停止位，可检查假启动位；自动
检测和处理终止字符。 波特率：0～19.2K（异步），0～64K（同步）。 全双工的工作方式：其内部提供具有双缓冲器的发送器
通用异步收发器UART（续）
功能
双向处理
何谓 奇/偶 校验?
接收外设输入的异步串行数据并转换为CPU所需并行数据。 将CPU的并行数据转换成串行数据并输出。
奇偶校验——检测长距离传送中可能发生的错误。
发送时，检查要传送字符的“1”的个数，并在奇偶校验位 上添上“1”或“0”，使“1”的总数（包括校验位本身） 为偶数或奇数。
26
10.2.1 8251A的内部结构和引脚
接收器和接收控制电路（续）
同步通信方式
监视RxD引脚，以一次一位的方式将数据送至接收寄存器。 每接收一位，将接收寄存器与存放同步字符的寄存器比较。
若不相等，则接收下一位后继续比较；若相等，则表示搜 索到同步字符，置SYNDET=1，表示已达到同步。 若是双同步，必须要连续检测到两个同步字符后才认为已 达到同步。 同步后，根据RxC引脚送入的同步时钟，逐个移位RxD引脚 上的数据位，并按规定位数将其送至接收数据缓冲器，同 时发出RxRDY信号通知CPU。
操作，并输出状态信息和控制信息。
数据总线 缓冲器
状态寄存器 控制寄存器 接收缓冲寄存器
中断请求
控制 读 信号 写
复位
发送与 接收 控制逻辑
接收移位寄存器 发送移位寄存器
接收时钟 RxC 串行数据输入 SIN或RxD 串行数据输出 SOUT或TxD
地址
CS
译码Biblioteka 发送保持寄存器发送时钟 TxC
11
10.1 串行通信概述
半双工
T
发送与接收之间只有一根传输线。
但能分时交替进行双向传送。 R
全双工
发送与接收之间有两条传输线。
T
能双向同时传送。
R
R
T R
R T
5
10.1 串行通信概述
串行通信的两种基本工作方式
异步通信方式（ASYNC）
传送效率低
以一个字符为传输单位。通信中两个字符间的时间间隔是 不固定的，但在同一个字符中的两个相邻位代码间的时间 间隔是固定的。
隔也是固定的。
①
②
1~2个
字符1 字符2
字符n
收、发两端需用同一个时钟源作为时钟信号。 同步通信传输效率高，适合于快速、大量数据的传送。
通信线路上不会出现空状态，永远有内容在发送。 不是数据字符或校验字符，就是同步字符。
7
10.1 串行通信概述
小结
同步通信方式
字符与字符之间、字符内部的位与位之间都是同步。 传送速度最高可达500000波特。 需要配置结构复杂的同步时钟电路。 常用于计算机之间的通信，或主机与外设间的通信。
步的要求很严格，要求收/发双方必须以同一时钟来控制 数据的发送和接收。
18
回顾 同步通信方式（续）
数据格式
每个数据块（信息帧）由3个部分组成：
1～2个同步字符作为一个数据块(信息帧)的起始标志。 n个连续传送的数据。 1～2个字节循环冗余校验码(CRC)。
…
同步字符
19
10.2.1 8251A的内部结构和引脚
接收时，检查字符的每一位以及奇偶校验位的“1”的个 数，以确定是否发生传送错误。
12
10.1 串行通信概述
通用异步收发器UART（续）
常设的错误标志
奇偶错误
接收时对字符中“1”的个数进行统计，若与字符格式中设 的奇偶性不一致，则置位该标志，发奇偶错信息。
帧错误
接收的字符格式不符合规定(如无停止位等)，则置位该标 志，发帧错误信息。
C/D——控制/数据信号，输入。
高电平时，表示数据总线传输的是控制信号或状态字。 低电平时，表示数据总线传输的是数据信息。
CS RD WR
0
0
1
0
1
0
0
0
1
0
1
0
C/D
执 行 的 操 作
0
CPU由8251A输入数据
0
CPU向8251A输出数据
1
CPU读取8251A的状态
1
CPU向8251A写入控制命令
读写控制电路
作用：接收CPU的控制信号和命令字，用以决定8251A的 工作方式，并向内部其它功能部件发出控制信号。
对应引脚<来自CPU的控制信号>（6根）
RESET——复位信号，输入，高电平有效。
使8251A进入空闲状态，等待初始化编程。
CLK——主时钟信号，输入。
用来产生内部定时信号。 同步方式下，CLK的频率必须比TxC和RxC大30倍。 异步方式下，CLK的频率应比TxC和RxC大4.5倍。
同步传送的波特率高于异步传送方式，最高能到上百千波 特。
9
10.1 串行通信概述 串行通信接口芯片
通用同步异步收发器UASRT——8251A 通用异步收发器UART
10
10.1 串行通信概述
通用异步收发器UART
组成
接收器：负责数据接收，并把串行码转换为并行码。 发送器：负责把并行码转换为串行码，并执行发送任务。 控制器：主要用来接收CPU的控制信号，执行CPU所要求的
RD——读信号，输入，低电平有效。
表示CPU从8251A读出数据或状态信息。
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10.2.1 8251A的内部结构和引脚
读写控制电路（续）
WR——写信号，输入，低电平有效。
表示CPU把数据或控制字写入8251A。
CS——片选信号，输入，低电平有效。
表示8251A被CPU选中，可以对它进行读写操作。
送到方式寄存器、控制寄存器和同步字符寄存器中。
内部包含3个8位双向三态缓冲器：
状态缓冲器：用IN指令从中读取状态信息。 接收数据缓冲器：用IN指令从中读取数据信息。 发送数据/命令缓冲器：存放CPU用OUT指令向8251A写入的
数据或命令字。
对应引脚（8根）
D7～D0
23
10.2.1 8251A的内部结构和引脚