详解单片机中的串行口

单片机内部有一个功能强大的全双工串行口，该串行口有四种工作方式，以供不同场合使用。波特率可由软件设置，由片内的定时器/计数器产生。串行口接收、发送均可工作在查询方式或中断方式，使用十分灵活。

单片机的串行口除了用于数据通信之外，还可以用来驱动单片机应用系统中的键盘和显示器，这是其他微机系统所不能比拟的。

串行口的结构与控制

为了进行串行数据通信，单片机同样也需要相应的串行接口电路。不过这个接口电路不是单独的芯片，而是集成在单片机芯片的内部，成为单片机芯片的一个组成部分。

80C51单片机内部的串行口，由发送缓冲寄存器 SBUF、接收缓冲寄存器 SBUF、发送控制寄存器、接收控制寄存器、输入移位寄存器和输出控制门组成。控制单片机串行口的控制寄存器共有两个：特殊功能寄存器 SCON 和 PCON，可以用软件改变两者的内容来控制串行口的工作方式和波特率。

缓冲寄存器SBUF

80C51单片机内部有一个全双工的串行通信口，即串行接收和发送缓冲器SBUF，这两个在物理上是独立的接收发送器，既可以接收数据，也可以发送数据。但接收缓冲器只能读出不能写入，而发送缓冲器则只能写入不能读出，两个缓冲器共用同一个地址(99H)。

这个通信口既可用于网络通信，也可实现串行异步通信，还可以当成同步移位寄存器使用。如果在通信口的输入输出引脚上加上电平转换器，还可方便地构成标准的RS-232和RS-485接口。

在逻辑上，SBUF只有一个，既表示发送寄存器，又表示接收寄存器，具有同一个地址(99H)。在物理上，SBUF有两个，一个是发送寄存器，另一个是接收寄存器。

串行口控制寄存器SCON

该寄存器的字节地址为98H，有位寻址功能。

SCON格式如下：

SM0(SCON.7)、SM1(SCON.6)：控制串行口的工作方式。

SM2(SCON.5)：允许方式2和方式3进行多机通信控制位。在方式2或方式3中，如SM2=1，则接收到的第9位数据(RB8)为0时不激活RI。在方式1时，如SM2=1，则只有收到有效停止位时才会激活RI。若没有接收到有效停止位，则RI清0。在方式0中，SM2必须置为0。

REN(SCON.4)：允许串行接收控制位。REN=1允许串行接收，REN=0则禁止串行接收。该标志由软件来置1或清0。

TB8(SCON.3)：是工作在方式2和方式3时，该位是要发送的第9位数据。在一些通信协议中该第9位用于奇偶校验(补奇或补偶);而在MCS-51多处理机通信中，这一位是区别地址帧还是数据帧的标志，需要时由软件置位或复位。

RB8(SCON.2)：是工作在方式2和方式3时，该位是已接收到的第9位数据，它是奇偶校验位。在MCS-51多处理机通信中是区别地址帧/数据帧的标志。在模式1中，若SM2=0，RB8存放的是已接收数据的停止位。在模式0中，RB8未用，需要时由软件来置1或清0。

TI(SCON.1)：发送中断标志位。在模式0中，发送完第8位数据时由硬件置位;在其他模式中发送停止位开始时刻由硬件置位。置位时TI=1，申请中断，CPU响应中断后，由软件来清除TI再发送下一帧数据。

RI(SCON.0)：接收中断标志位。在模式0中，接收完第8位数据时由硬件自动置位;在模式 1 中，SM2=1，只有接收到有效的停止位，才能对 RI 置位。在其他模式中，在接收停止位的半中间由硬件对RI置位。置位时申请中断，CPU响应中断后取走数据，清除RI标志，必须由软件清零。

SCON的所有位复位时被清零。

特殊功能寄存器PCON

其字节地址为87H，没有位寻址功能。PCON的格式如下：

其中与串行接口有关的只有D7位。

SMOD：波特率选择位。

串行口的工作方式

串行口有四种工作方式，它们是由串行口控制寄存器 SCON 的 SM0、SM1的状态来定义的，编码及功能如表2-3所示。在这四种工作方式中，串行通信只使用方式1、2、3。方式0主要用于扩展并行输入/输出口。

表2-3 串行口工作方式

表中：fosc为晶振频率，UART为通用异步接收和发生器。

方式0

在方式 0 状态下，串行口为同步移位寄存器输入/输出方式，其波特率是固定不变的，数据由RxD(P3.0)端输入，同步移位脉冲由TxD(P3.1)端输出。方式0主要用于扩展并行输入输出口(如串行LED数码管显示系统等)。

(1)方式0发送

当一个数据写入串行口发送缓冲器SBUF时，串行口即将8位数据以fosc/12的波特率从RxD引脚输出(从低位到高位)，发送完8位数据时，将发送中断标志TI置1。TxD引脚输出同步脉冲，波形如图2-22所示。

(2)方式0接收

在满足REN=1和RI=0的条件下，就会启动一次接收过程，此时RxD为串行输入端，TxD为同步脉冲输出端。串行接收的波特率为fosc/12，其时序如图2-23所示。当接收完一帧数据(8位)后，控制信号复位，中断标志 RI 被置 1，呈中断申请状态。当再次接收时，必须通过软件将RI清零。

▲图2-22 串行口“方式0”发送时序

▲图2-23 串行口“方式0”接收时序

在方式0中，SCON中的TB8、RB8位没用，多机通信控制位SM2位必须为0。在方式0下发送或接收完8位数据时，由硬件置1并发送中断标志TI或RI，向CPU申请中断，CPU响应TI或RI中断后，标志TI或RI必须由用户程序清0。

方式1

串行口以方式1工作时，SCON中的SM0、SM1两位分别为0、1，则串行口被控制为波特率可变的8位异步通信接口。发送的每帧信息为10位：1位起始位，8位数据位(先低位后高位)和1位停止位。

(1)方式1发送

串行口以方式1发送时，数据由TxD端输出，CPU执行一条数据写入发送数据缓冲器SBUF的指令，数据字节写入SBUF后，就启动串行口发送器发送。发送完一帧信息的数据位后，发送中断标志置1，其时序如图2-24所示。

▲图2-24 串行口“方式1”发送时序

(2)方式1接收

当REN=1时，允许接收器接收，数据从RxD端输入。接收器以所选波特率的16倍速率采样RxD端的电平，当检测到RxD端从1到0的跳变时，启动接收器接收，并复位内部的16分频计数器，以便实现同步。

在起始位，如果接收到的值不为0，则起始位无效，复位接收电路，当再次接收到一个由1到0的跳变时，重新启动接收器。如果接收值为0，则起始位有效，接收器开始接收本帧的其余信息(一帧信息为10位)。在方式1接收中，若同时满足以下两个条件：RI=0、SM2=0和接收到的停止位=1时，则接收数据有效，实现装载SBUF、停止位进入PB8、接收中断标志RI置1。接收控制器再次采样RxD的负跳变，以便接收下一帧数据。

若这两个条件不能同时满足，信息将丢失。中断标志RI必须由用户的软件清零，通常情况下，串行口以方式1工作时，SM2置为0。方式1的接收时序如图2-25所示。

▲图2-25 串行口“方式1”接收时序

方式2

当SM0、SMl两位分别为1、0时，串行口工作在方式2，此时串行口被定义为9位异步通信接口。发送时可编程位(TB8)根据需要设置为0或1，接收时，可编程位被送入SCON中的RB8。

(1)方式2发送

在方式2发送时，数据由TxD端输出，发送一帧信息由11位组成：1位起始位、8位数据位(低位在先、高位在后)、1位可编程位(第9位数据位)和1位停止位，附加的第9位数据为 SCON中的 TB8。TB8由软件置 1 或清 0，可作为多机通信中的数据标志位，也可作为数据的奇偶校验位。

CPU在执行一条写SBUF的指令后，便立即启动发送器发送，送完一帧信息后，TI被置1，其时序如图2-26所示。在发送下一帧信息之前，TI必须由中断服务程序(或查询程序)清0。

▲图2-26 串行口“方式2”发送时序

(2)方式2接收

当 SM0、SMl两位分别为1、0，且 REN=1 时，允许串行口以方式 2 接收数据。数据由 RxD端输入，接收11位信息：1位起始位、8位数据位、1位可编程位(第9位数据)和1位停止位。当接收器采样到RxD端从1到0的跳变，并判断起始位有效后，便开始接收一帧信息。当接收器接收到第9位数据后，如果RI=0且SM2=0或接收到的第9位数据为1时，接收到的数据送入SBUF，第9位数据送入RB8，并置RI=1，其时序如图2-27所示。若不能同时满足这两个条件，接收的信息将丢失。

▲图2-27 串行口“方式2”接收时序

方式3

当SM0、SM1两位为11时，串行口工作在方式3，方式3为波特率可变的9位异步通信方式，除了波特率外，方式3和方式2的发送时序和接收时序相同。

波特率的计算与串行口初始化

波特率的计算

在串行通信中，收发双方的波特率必须保持一致。通过软件可设定串行口的4种工作方式，并确定每种方式的波特率。

(1)方式0的波特率是固定的，为单片机晶振频率fosc的1/12，即BR=fosc/12。

如fosc=6MHz，则波特率500kbit/s;如fosc=12MHz，则波特率为1Mbit/s。

(2)方式 2 的波特率也是固定的，且有两种。一种是晶振频率的 1/32，另一种是晶振频率的1/64，即fosc/32和fosc/64。如用公式表示为：

式中，SMOD为特殊功能寄存器PCON串行口波特率系数的控制位，SMOD=1表示波特率加倍。注意，PCON不能使用位寻址，只能对其进行字节操作。

如12M晶振系统中，若SMOD=0，则波特率=187.5kbit/s;SMOD=1，则波特率375kbit/s。

(3)方式1和方式3的波特率是可变的，其波特率由定时器1的计数溢出(对80C52来说，也可使用定时器2的计数溢出)决定，公式为：

式中定时器1溢出率计算公式为：

各种方式波特率的计算如表2-4所示。

表2-4 波特率的计算公式

表中，若SMOD=0，则K=1;若SMOD=1，则K=2。

通常使用单片机的串行口时，选用的晶振频率 fosc比较固定(一般为 6MHz ， 12MHz 或11.0592MHz)。单片机和微机通信时，选用的波特率也相对固定。

实际使用中，经常根据已知波特率和时钟频率来计算定时器T1的初值。为方便使用，将常用的波特率和初值X间的关系列成表2-5。

表2-5 常用通信方式及其波特率

其中有以下三点需要注意。

(1)表2-5中仅为一些特定系统串口通信时的典型数据，对于其他一些未列出的波特率，应通过前述公式进行计算获取。并可进行相关参数调整，以获得需求的波特率。

(2)在使用的时钟振荡频率为12MHz或6MHz时，表中初值X和相应的波特率之间有一定误差。例如，FDH的对应的理论值是10416波特(时钟振荡频率为6MHz时)，与9600波特相差816波特，消除误差可以通过调整时钟振荡频率 fosc来实现。例如，如果采用的时钟振荡频率为11.0592MHz，在要求串行通信的系统中，为保证串行通信准确，一般使用11.0592Hz的晶振。

(3)如果串行通信选用很低的波特率，可将定时器T1设置为方式1定时。但T1溢出时，需要在中断服务程序中重新装入初值。中断响应时间和执行指令时间也会使波特率产生一定的误差，可用改变初值的方法进行适当调整。

串行通信的校验

异步通信时可能会出现帧格式错、超时错等传输错误。在具有串行口的单片机的开发中，应考虑在通信过程中对数据差错进行校验，因为差错校验是保证准确无误通信的关键。常用差错校验方法有奇偶校验(80C51系列单片机编程采用此法)、和校验及循环冗余码校验等。

(1)奇偶校验

在发送数据时，数据位尾随的一位数据为奇偶校验位(1或0)。当设置为奇校验时，数据中1的个数与校验位1的个数之和应为奇数;当设置为偶校验时，数据中1的个数与校验位中1的个数之和应为偶数。接收时，接收方应具有与发送方一致的差错检验设置，当接收一个字符时，对 1的个数进行校验，若二者不一致，则说明数据传送出现了差错。

奇偶校验是按字符校验，数据传输速度将受到影响。这种特点使得它一般只用于异步串行通信中。

(2)和校验

所谓和校验，是指发送方将所发送的数据块求和(字节数求和)，并产生一个字节的校验字符(校验和)附加到数据块末尾。接收方接收数据时也是先对数据块求和，将所得结果与发送方的校验和进行比较，相符则无差错，否则即出现了差错。这种和校验的缺点是无法检验出字节位序的错误。

(3)循环冗余码校验

这种校验是对一个数据块校验一次。例如对磁盘信息的访问、ROM或RAM存储区的完整性等的检验。这种方法广泛应用于串行通信方式。

串行口初始化

在使用单片机串行口之前，应对其进行编程初始化，主要是设置产生波特率的定时器1、串行口控制和中断控制，具体步骤如下。

(1)确定定时器l的工作方式——编程TMOD寄存器。

(2)计算定时器l的初值——装载THl、TLl。

(3)启动定时器1——编程TCON中的TRl位。

(4)确定串行口的控制——编程SCON。

如何写一个健壮且高效的串口接收程序？

学单片机的大概最先、最常写的通信程序应该就是串口程序了，但是如何写出一个健壮且高效的串口接收程序呢？接下来鱼鹰将根据多年的开发经验教你如何编写串口接收程序（可在公众号获取个人编写的串口接收源码）。

本篇文章包含以下内容，很长，但干货满满，就看你能吸收多少了：

1、 传入参数指针

2、 互斥锁释放顺序

3、 数据帧检查

4、 串口空闲

5、 通信吞吐量

内容很多，鱼鹰慢慢写，道友您也请慢慢看。

为了更好的理解接下来的知识点，鱼鹰将设计一个串口框架，让道友心中有一个参考方向。

本篇重点在于解决如何写一个健壮、高效的串口接收数据，发送与接收处理过程略讲。

帧格式

先聊聊帧格式，一般来说，一个数据帧有以下几部分内容：

帧头

帧头用于分辨一个数据帧的起始，这个帧头必须足够特殊才行，因为它是分辨一个帧的起始，那么什么样的帧头是足够特殊的数据呢？保证这个数据在一个帧内最好只出现一次的数据，那就是帧头，比如 0x55、0xAA 之类的。而且最好有两个字节以上，这样帧头才更加独一无二。

但是数据域内的数据你是没办法保障不包含和帧头一样的数据。

那么如果不凑巧，除了帧头外 其他部分也有这样的两个字节的帧头，那会出现什么问题？

几乎不会出现问题。 因为一般来说数据都是一帧一帧发送的，只要你前面的数据帧传输正确，那么即使下一帧的数据中有和帧头一样的数据（包括帧头）也没有问题，因为帧头判断已经在开始就判断成功了，就不会继续判断后面的数据是否是帧头了。

那么为什么说是几乎，因为如果上一帧数据接收错误，那么程序必须再找一次帧头才行（单字节接收时是如此，采用空闲中断的话就不需要这么麻烦），这就导致找帧头的时候在帧头数据之外寻找了，很可能这些数据就有帧头。

但是即使帧头数据之外的假帧头真的存在，也没关系，还有第二重保障，那就是校验，即使找到了一个错误的帧头，那么数据校验这一关也很难过去，所以放宽心。

如果校验也凑巧通过了，那还有第三重保障：帧尾。应该到不了这里吧，毕竟这比中彩票还难。

又要上一帧数据接收错误，还要当前帧除了帧头之外还有帧头，另外你还能跳过校验的检查（还有功能字、长度信息的检查），太难了。所以只要通过了这些检查，你就可以认为这个数据帧是可用的了。所以一帧数据接收错误，导致的问题最多只是丢失了这帧数据，对后续接收是不会有影响的（前提是你这个接收程序设计的足够好），发送端在发送超时后再发送一次即可，所以重发机制很重要 。

事实上，如果你采用串口空闲中断 ，帧头、帧尾都可以不用，但一般来说，帧头都会保留，帧尾可以不需要，这是为了当单片机没有串口空闲中断时考虑，当然也可能有其他考虑，所以帧头得保留。

功能字

功能字主要用于说明该数据帧的功能，当然也可以作为函数指针的索引，一个索引值代表了一个具体功能，据此可找到对应的功能函数。

比如，设计一个函数指针数组，通过功能字进行索引，进而跳转到对应的功能函数中处理。

特别注意的是，设计功能字的时候，要考虑兼容性，对数据帧的功能进行划分，不要想到一个算一个，功能字也不要随便安排，不然在以后增加数据帧的时候会很麻烦。

比如说，只有一个字节的功能字，前四位作为一个大类，后四位作为大类中具体类。这样就可以将系统数据通信帧分为 16 个大类，每个大类下有 16 个可用的具体类，当你增加功能字的时候，就可以根据你的设计来确定属于哪个大类了，然后再插入进去。这样在管理、维护这些通信数据时你会发现很方便。

这个思想其实在 ARM 内核的中断系统和设计 uCOS II 任务优先级的时候都有，而鱼鹰在设计项目的通信协议的时候就是运用了这些思想。

（图片来源于《权威指南》）

长度

长度信息也是一个非常关键的数据，别小看了它，因为它，鱼鹰用了将近一个星期的时间才把一个 HardFaul 问题解决了，虽然这个程序 bug 不是我写的（鱼鹰一直用的是串口空闲接收方式，这个 bug 自然而然就跳过了），但确实很容易出错。

因为它是决定了你这个数据域长度的关键信息（一般长度信息代表数据域的长度，而不包含其它部分长度），也是这个数据帧的长度信息（加上固定字节长度就是帧长度了），更是接收程序还要接收多少数据的关键信息（对于空闲中断接收方式不算关键，这里的不关键是指不会造成程序异常问题）。

比如说你的程序刚好将帧头、帧尾、功能字判断完毕，然后中断程序因为种种原因导致没有及时接收串口数据，那么你可能得到的就是错误的数据，然后这个错误的长度数据就可能导致你的栈帧或者全局变量被破坏（单字节接收情况下就可能出现，因为鱼鹰碰到过），这是很严重的事情。所以在接收数据域的数据之前一定一定 要判断这个长度信息（空闲中断除外）是否合法，不合法的话及时扔掉这帧数据，开始下一帧的数据检查。

所以为了保证及时接收数据，最好采用 DMA 传输。

数据域

这个没啥好说的，就是整个帧你真正需要发送的数据。而为了让你的发送函数能接收各种类型的数据，那么把参数类型设置为 void * 会是不错的选择。

校验

一个数据在接收过程中可能会被干扰，导致接收到错误的数据，那么如何保证这帧数据的完整与准确性呢，就在校验这一关了。

校验有很多方式，和校验、CRC 校验等（奇偶校验是针对一个字节的，不是数据帧）。

和校验算法简单，CPU 运算量小，累加最后只取最低字节 即可（注意不是高字节，想想为什么），或者保存累加和的变量就是一个字节空间，这样就不需要额外操作了。

CRC 校验，这个算法复杂，理解起来比较困难，但一般来说可以直接拿来用，因为它是对每一位（bit）进行校验，所以纠错率很高，几乎不存在发现不了的数据错误，但正因为对每一位进行检查，所以 CPU 运算量较大，但是有的单片机是可以硬件计算 CRC 校验值的（比如 stm32）。不过现在 CPU 运算速度都挺快的，软件运算也是可以接受的。

那么该怎么校验呢？是从帧头开始到数据域部分，还是说直接校验数据部分？其实都可以，区别就是运算量问题，不过问题不大（最好是从头开始校验，以保证整帧数据的准确性）。

帧尾

前面说了，帧尾在空闲中断中可以不用，RXNE 中断接收时其实也可以不用，当然也可以加上，好处就是当你用串口助手查看数据流时，可以观察出一帧数据是否发送完整了。

最后再说说为什么在数据域 前面设计四个字节大小 ，除了协议本身需要外，还有一个原因就是强制类型转化 需要，我们知道，一般来说，赋值时都有字节对齐的限制（实际上有的 CPU 可以不对齐进行赋值），stm32 是 32 位的，那么四字节对齐是最合适的，这样就可以直接将我们收到的数据转化为需要的数据类型了。

传输过程

聊完了帧格式，再从大的方向看串口的传输过程：

当发送端发送第一帧数据包时，接收端通过某种方式接收（串口接收非空 RXNE 中断、串口空闲 IDLE 中断），为了让串口能够触发空闲中断，必须在发送端两个发送帧之间插入一段空闲时间（就是在此时间内不发数据，红色部分），保证空闲中断的准确触发。

同理，为了让发送端也能正常接收接收端的数据，也需要控制接收端的发送，不能在返回一帧数据时立马发送下一帧数据，不然触发不了发送端的空闲中断。

事实上，有些程序员设计的发送、接收过程比这个简单一些。即只有当接收端接收到一帧数据并返回一帧数据之后，发送端才能继续发送数据，这样一来，我们只需要控制好接收端的频率，就可以控制整个通信过程，也能控制通信频率。

但为什么还要设计成第一种传输情况呢？这是为了充分利用串口，增大数据吞吐率（这个后面再说）。

另外，不知道你是否观察到图中的每个数据帧占用的时间是不一样的，这是因为每个数据帧不可能都是一样长的，它们是不定长的数据包，所以你的定时不能从发送开始定时，而是从发送完成后开始定时控制空闲时间。

下集精彩，串口的软件设计，喜欢的话记得关注鱼鹰哦！

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