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一、串行通信基础
1.1 并行通信与串行通信
单片机的数据通信有并行通信与串行通信两种方式。
1.1.1 并行通信
并行通信是指多个进程或者任务同时进行通信的一种方式。在并行通信中，多个进程或者任务可以同时发送和接收消息，而不需要等待其他进程或者任务完成通信操作。
并行通信的好处是可以提高系统的吞吐量和响应速度。通过并行通信，不同的进程或者任务可以并行地进行通信操作，从而可以更快地完成任务。此外，并行通信还可以提高系统的可伸缩性，使系统能够处理更多的并发请求。
1.1.2 串行通信
串行通信是指只有一个进程或者任务在进行通信的一种方式。在串行通信中，进程或者任务按照一定的顺序来发送和接收消息，只有前一个进程或者任务完成通信操作后，下一个进程或者任务才能进行通信。
串行通信的好处是简单和直观，通信操作按照顺序进行，不需要考虑同步和资源竞争问题。此外，串行通信的实现成本相对较低，不需要考虑并行处理的复杂性。
单片机并行通信与串行通信示意图
1.2 同步通信与异步通信
串行通信又有两种方式：同步串行通信与异步串行通信。
同步串行通信是指发送方向接收方发送数据后，必须等待接收方接收完毕后才能继续进行其他操作。在同步串行通信中，发送方和接收方的操作是严格同步的，发送方发送一条消息后会阻塞等待接收方接收完成，接收方接收完消息后才会解除发送方的阻塞状态。
同步串行通信适用于需要保持严格顺序和一致性的场景，例如在传输重要数据或者进行精确计时的应用中。由于发送方必须等待接收方的反馈，同步串行通信的延迟较大，但可靠性较高。
同步通信和数据格式示意图
异步串行通信则是指发送方发送数据后可以继续进行其他操作，无需等待接收方的回应。在异步串行通信中，发送方无需等待接收方的响应，可以自由地进行其他操作。接收方则会在接收到消息后进行处理，并向发送方发送适当的确认或者回应。
异步串行通信则适用于需要高效利用系统资源和并发处理的场景。由于发送方无需等待接收方的反馈，可以继续进行其他操作，可以提高系统的吞吐量和响应速度。但异步串行通信需要考虑数据的一致性和错误处理，因此编程和调试的复杂性较高。
异步串行通信示意图
1.3 串行通信的传输模式
串行通信的传输模式按照数据传输的方向和时间关系可分为单工、半双工和全双工。
单工传输：在单工传输中，数据只能在一个方向上进行传输。一方作为发送方，只能发送数据，而另一方作为接收方，只能接收数据。这种传输模式类似于广播电视，只有单向传输，没有数据回传。
半双工传输：在半双工传输中，数据可以在两个方向上进行传输，但不能同时进行。两个通信方向上的传输是交替进行的，即一方发送数据时，另一方只能接收数据，然后再进行反向传输。这种传输模式类似于对讲机，只能单向传输，需要交替切换发送和接收方向。
全双工传输：在全双工传输中，数据可以在两个方向上同时进行传输。两个通信方向上的传输可以同时进行，即一方可以同时发送和接收数据。这种传输模式类似于电话通信，双方可以同时进行发言和听取。（51单片机——异步全双工）
单工、半双工和全双工的数据传输模式示意图
二、串行口的结构
串行口是一种用于数据通信的接口，可以实现单片机和外部设备之间的数据传输。串行口通常由几个关键组成部分构成。
串行口的发送器，它负责将单片机中的数据转换成串行信号，并通过串行通信线路发送出去。发送器通常包含一个移位寄存器，用于存储要发送的数据，以及一个时钟，用于控制数据的发送速度。
串行口的接收器，它负责接收外部设备发送过来的串行信号，并将其转换成并行数据供单片机使用。接收器通常也包含一个移位寄存器和一个时钟，用于接收和解码串行信号。
除了发送器和接收器，串行口还包含一些控制和配置寄存器，用于设置串行通信的参数，如波特率、数据位数、校验位等。这些寄存器可以通过编程设置，以适应不同的通信需求。
最后，串行口还包含一个中断控制器，用于处理串行口的中断请求。当接收到外部设备发送的数据时，中断控制器会触发中断请求，通知单片机进行数据处理。
串行口的内部结构图
2.1 串行口控制寄存器SCON
串行口控制寄存器（SCON）是单片机中用于控制串行通信的寄存器。
下面是SCON寄存器的位布局表格：
| SCON 寄存器位 | 名称 | 描述 |
|---|---|---|
| Bit 7 | SM0 | 串行口工作模式选择位，用于选择串行口的工作模式 |
| Bit 6 | SM1 | 串行口工作模式选择位，用于选择串行口的工作模式 |
| Bit 5 | SM2 | 多机通信控制位，在方式2和方式3下进行的 |
| Bit 4 | REN | 允许串行接收位，用于允许串行口接受数据 |
| Bit 3 | TB8 | 发送的第9位数据位 |
| Bit 2 | RB8 | 接收的第9位数据位 |
| Bit 1 | TI | 发送中断标志位，用于指示发送操作是否完成 |
| Bit 0 | RI | 接收中断标志位，用于指示接收操作是否完成 |
2.1.1 SM0、SM1
根据SM0和SM1的不同组合，可以选择以下四种工作模式：
| SM1 | SM0 | 方式 | 功能说明 |
|---|---|---|---|
| 0 | 0 | 0 | 同步移位寄存器方式（用于扩展 I/O口） |
| 0 | 1 | 1 | 8位异步收发，波特率可变（由定时器T1控制） |
| 1 | 0 | 2 | 9位异步收发，波特率为 晶振频率/64 或 晶振频率/32 |
| 1 | 1 | 3 | 9位异步收发，波特率可变（由定时器T1控制） |
2.1.2 SM2
- 当SM2=1时，串行口可以与多个设备进行通信，每个设备有独立的地址。当接收到RB8为1时，才是RI置1，产生中断请求，触发中断。
- 当SM2=0时，串行口只与单一设备进行通信，不使用地址识别功能。所有接收到的数据都被直接接收，并触发中断。
在方式1时，如果SM2=1，则只有收到有效的停止位时才会激活RI。
在方式0时，SM2必须为0。
2.1.3 REN
REN位的不同设置可以选择两种不同的工作模式：
当REN位为1时，表示接收使能。串行口可以接收数据，并触发中断。
当REN位为0时，表示接收禁止。串行口不接收数据，也不会触发中断。
2.1.4 TB8
TB8用于控制是否传输第9位数据。
在使用TB8时，需要先设置SM2位为1，表示使用9位数据传输模式。当TB8为0时，表示只传输8位数据；当TB8为1时，表示传输9位数据。
2.1.5 RB8
RB8用于控制串行口接收数据的第9位。
当RB8位为1时，表示接收到的数据帧的第9位是1；当RB8位为0时，表示接收到的数据帧的第9位是0。通过判断RB8位的值，可以识别出接收到的数据帧是否是9位长，从而进行相应的处理。
2.1.6 TI
TI用于设置或检测串行口发送中断的状态。
当TI位为1时，表示串行口发送完成，并产生了中断请求。当TI位被置1时，表示要发送的数据已经全部发送完毕，并且硬件已经准备好发送下一个字节。在中断服务子程序中，可以通过检测TI位来确定数据是否全部发送完成。
2.1.7 RI
RI用于设置或检测串行口接收中断的状态。
当RI位为1时，表示串行口接收到了数据，并产生了中断请求。当RI位被置1时，表示收到了一个字节的数据，并且硬件已经准备好接收下一个字节。在中断服务子程序中，可以通过检测RI位来确定是否接收到了新的数据。
2.2 特殊功能寄存器PCON
PCON（Power Control Register）是用于控制单片机的低功耗模式和电源管理的特殊功能寄存器。
下面是特殊功能寄存器PCON的位表格：
| 位 | 功能 |
|---|---|
| 7 | SMOD：串行波特率倍频控制位 |
| 6 | SMOD0：串行波特率倍频控制位 |
| 5 | LVDF：低电压检测标志位 |
| 4 | POF：电源故障标志位 |
| 3 | GF1：通用标志位1 |
| 2 | GF0：通用标志位0 |
| 1 | PD：掉电模式标志位 |
| 0 | IDL：IDLE模式控制位 |
每个位的具体功能如下：
SMOD（位7）和SMOD0（位6）用于控制串行通信的波特率倍频。当SMOD和SMOD0都为0时，波特率不进行倍频。当SMOD为0而SMOD0为1时，波特率倍频一倍。当SMOD为1而SMOD0为0时，波特率倍频两倍。当SMOD和SMOD0都为1时，波特率倍频四倍。
LVDF（位5）是一个低电压检测标志位，用于指示系统电压是否低于预设的阈值。当LVDF为1时，表示电压低于阈值；当LVDF为0时，表示电压正常。
POF（位4）是一个电源故障标志位，用于指示系统是否发生了电源故障。当POF为1时，表示发生了电源故障；当POF为0时，表示电源正常。
GF1（位3）和GF0（位2）是通用标志位，可供用户自定义使用。
PD（位1）是一个掉电模式标志位，用于进入或退出掉电模式。当PD为1时，表示系统进入掉电模式；当PD为0时，表示系统正常工作。
IDL（位0）是一个IDLE模式控制位，用于控制系统进入或退出IDLE模式。当IDL为1时，表示系统进入IDLE模式；当IDL为0时，表示系统正常工作。
三、串行口的4种工作方式
串行口(Serial Port)的工作方式有四种，分别是方式0、方式1、方式2和方式3。
3.1 方式0
方式0，也称为同步移位寄存器方式，是一个8位的同步移位寄存器，工作在同步通信模式下。在这种方式下，串行口不使用波特率发生器，因此数据的发送和接收速率取决于外部的时钟源。
在方式0中，数据从串行口的RXD引脚输入或输出，并且是低位先行。
方式0的特点包括：
- 采用8位数据格式，即每次传输8位数据。
- 串行数据的发送和接收是同步进行的，即通过外部时钟信号来控制数据的发送和接收速率。
- 数据的发送和接收是通过移位寄存器来完成的。在发送时，数据从内部的并行数据寄存器（通常是某个特殊功能寄存器）装载到移位寄存器中，然后逐位移出；在接收时，数据逐位移入移位寄存器，最后移位寄存器的内容被转移到并行数据寄存器中。
- 由于是同步方式，这种方式的数据传输速度比异步方式（如方式1）要快。
- 方式0不支持硬件的起始位和停止位设置，因为它是完全同步的，没有起始位和停止位。
3.2 方式1
方式1是一种可变波特率的8位UART（通用异步收发传输器）。
在方式1下，串行口以8位数据格式进行通信，其中低8位是有效数据位，高1位作为停止位，还有1位起始位。波特率则由定时器1产生，可以通过编程定时器1的初值来调整波特率，使其适应不同的通信需求。
波特率的计算公式为：波特率 = 1/12 * （2^SMOD / 32） * 定时器溢出频率。其中，SMOD是PCON寄存器中的串行口波特率倍增位，定时器溢出频率是定时器1或定时器2溢出频率。
3.3 方式2
方式2是一种8位数据+1位起始位、1位停止位和1位可程控为1或0的第9位数据的可变波特率异步通信方式。
其数据帧格式如下：
- 8位数据：指的是数据部分，通常是一个字节的数据，最高位（MSB）或最低位（LSB）先发送。
- 1位起始位：在数据传输开始前，发送器会发送一个逻辑“0”（低电平）作为起始信号，告知接收器数据即将开始发送。
- 1位停止位：在数据传输结束后，发送器会发送一个逻辑“1”（高电平）作为停止信号，告知接收器当前数据包已经发送完毕。
- 1位可程控为1或0的第9位数据：这个额外的位可以是校验位（如奇偶校验位），也可以用于其他控制目的，根据系统的设计进行编程设置。
可变波特率意味着通信双方可以协商或配置不同的传输速率，以适应不同的通信距离和环境要求。
3.4 方式3
方式3是波特率可变的9位异步通信方式。数据帧由9位组成，其中包括一个起始位、8位数据位（可配置为8位有效数据位加上1位奇偶校验位）和一个停止位。
方式3的特点是它的波特率是可变的，这意味着数据的传输速率可以根据需要进行调整，以适应不同的通信需求。
四、波特率的制定方法
4.1 波特率的定义
波特率是指在数字通信中，每秒传输的比特数。它通常用单位"波特"（Baud）来表示。波特率决定了数据传输的速度，也就是每秒钟可以传输的比特数。
波特率的单位可以理解为每秒钟发生的状态变化次数。在串行通信中，每个比特位都被分为多个时间间隔，称为波特周期或比特周期。波特率表示每秒钟波特周期发生的次数。
4.2 定时器T1产生波特率的计算
方式0波特率固定为：fosc / 12
方式1波特率的计算公式为：（串行口为波特率可变的8位异步通信接口，SMOD为PCON寄存器的最高位值（0或1））
方式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）
方式2的波特率由下式确定：
方式2波特率=( 2^SMOD / 64) * fosc
方式3的波特率由下式确定：
方式3波特率 = (2^SMOD / 32) * 定时器T1的溢出率
相关知识点：
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）
故：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）]
原文链接：
https://blog.csdn.net/WalterBrien/article/details/92847894