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  - 接口与通讯技术
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  - 串行通信
  - 可编程芯片
create time: 2026-06-26 23:05
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# 8251A 串行通信接口

## 概述

8251A 是 Intel 公司生产的可编程串行通信接口芯片（USART，Universal Synchronous/Asynchronous Receiver/Transmitter），**在试题 A、B、D 中均有出现**。它负责 CPU（并行数据）与串行外设之间的数据格式转换，支持异步和同步两种通信方式。

> [!tip] 考试要点
> - **两个控制字的写入顺序**：先方式控制字，再命令控制字
> - **方式控制字各位含义**：D7D6（波特率因子）、D1D0（数据位）
> - **异步帧格式**：起始位 + 数据位 + 校验位 + 停止位的总位数计算
> - **状态信号**：TXRDY、RXRDY 的含义

## 正文

### 1. 串行通信基础概念

#### 异步通信 vs 同步通信

| 特性 | 异步通信 | 同步通信 |
|------|----------|----------|
| 同步方式 | 起始位/停止位实现字符同步 | 同步字符实现数据块同步 |
| 数据单位 | 逐字符传送 | 以数据块为单位 |
| 传输效率 | 较低（每字符有冗余位） | 较高 |
| 适用场景 | 低速、不连续数据 | 高速、连续数据 |
| 硬件要求 | 简单 | 较复杂 |

#### 异步通信帧格式

```mermaid
graph LR
    A["起始位(1)"] --> B["数据位(5~8)"]
    B --> C["校验位(0或1)"]
    C --> D["Stop Bit"]
```

> [!example] 帧长度计算
> 1 位起始 + 8 位数据 + 1 位奇偶校验 + 1 位停止 = **10 位/帧**
>
> 波特率 2400 bps → 每秒最多传输 2400 / 10 = **240 个字符**

#### RS-232C 电平标准

| 逻辑值 | RS-232C 电平 | TTL 电平 |
|:------:|:------------:|:--------:|
| 逻辑 "1" | -3V ~ -15V | +2.4V ~ +5V |
| 逻辑 "0" | +3V ~ +15V | 0V ~ +0.4V |

> [!warning] RS-232C 采用 **负逻辑**，与 TTL 电平 **完全相反**！因此 RS-232C 接口需要电平转换芯片（如 MAX232）。

### 2. 8251A 的两个控制字

8251A 的编程核心是 **两个控制字**，写入顺序不可颠倒：

```mermaid
graph LR
    A["硬件/软件复位"] --> B["写入方式控制字"]
    B --> C["写入命令控制字"]
    C --> D["正常工作"]
    D --> E["可随时写入新命令控制字"]
```

#### 工作方式控制字

在复位后 **必须首先写入**，定义通信格式参数：

```
D7 D6     D5 D4       D3 D2      D1 D0
[波特率因子] [校验控制] [停止位]   [数据位]

异步模式下:
D7D6: 00=同步 01=x1  10=x16  11=x64
D5D4: 00=无校验 01=奇校验 10=偶校验
D1D0: 00=5位 01=6位 10=7位 11=8位
```

> [!example] 方式控制字计算
> **要求**：异步通信，波特率因子 x16，偶校验，8 位数据，1 位停止位
>
> D7D6=10（x16）, D5D4=10（偶校验）, D3D2=01（1 位停止位）, D1D0=11（8 位数据）
>
> 控制字 = `1010 0111B` = **A7H**
>
> ---
>
> **要求**：异步通信，波特率因子 x1，无校验，7 位数据
>
> D7D6=01（x1）, D5D4=00（无校验）, D3D2=01（1 位停止位）, D1D0=10（7 位数据）
>
> 控制字 = `0100 0110B` = **46H**

#### 命令控制字

定义 8251A 的操作行为：

```
D7  D6    D5    D4    D3   D2   D1   D0
EH  IR    RTS   ER    SBRK  RxE   TxD   TxEN
0   1     0     1     0     0     0     0
复位
```

各位功能：

| 位 | 符号 | 含义 |
|:--:|------|------|
| D0 | **TxEN** | 发送允许（1=允许发送） |
| D1 | **TxD** | 数据输出使能（0= TxD 输出无效） |
| D2 | **RxE** | 接收允许（1=允许接收） |
| D3 | **SBRK** | 发送 Break 字符 |
| D4 | **ER** | 错误标志复位（1=清除 FE/OE/PE 错误标志） |
| D5 | **RTS** | 请求发送（1=RTS 有效为低电平） |
| D6 | **IR** | 内部复位（1=回到等待方式控制字状态） |
| D7 | **EH** | 进入搜索方式（同步模式用） |

> [!example] 命令控制字计算
> **要求**：允许发送，允许接收，清除错误标志
>
> 对应位：TxEN(D0)=1, RxE(D2)=1, ER(D4)=1, 其余=0
>
> 按位排列：D7~D0 = `0001 0101B` = **15H**
>
> > [!info] 常见默认初始化值
> > 许多教材给出的默认初始化值为 `5BH`（0101 1011），含义是：
> > - IR=0（不断电）
> > - RTS=1（有效，发出握手请求）
> > - ER=1（清除错误标志）
> > - RxE=1（允许接收）
> > - TxD=1（使能发送数据输出）
> > - TxEN=1（允许发送）

### 3. 状态信号

| 信号 | 含义 | 用途 |
|------|------|------|
| **TXRDY** | 发送缓冲器空且允许发送 | 通知 CPU 可以写入新数据 |
| **RXRDY** | 接收缓冲器满 | 通知 CPU 可以读取数据 |
| **TxE** | 发送器空 | 所有数据已发送完毕 |
| **SYNDET/BRKDET** | 同步检测/Break 检测 | 同步模式或 Break 条件 |

> [!question] TXRDY 何时变高？
> 当发送缓冲器空 **且** 命令控制字中 TxEN=1（允许发送）时，TXRDY 变高。CPU 查询到 TXRDY=1 后可以写入下一个待发送的数据字节。

### 4. 引脚功能

| 引脚 | 功能 |
|------|------|
| **TxD** | 发送数据输出 |
| **RxD** | 接收数据输入 |
| **TxC** | 发送时钟（控制发送速率） |
| **RxC** | 接收时钟（控制接收速率） |
| **RTS** | 请求发送（输出，通知外设准备接收） |
| **CTS** | 清除发送（输入，外设表示已准备好） |
| **DTR** | 数据终端准备好（输出） |
| **DSR** | 数据装置准备好（输入） |

> [!info] 硬件流控制
> RTS/CTS 和 DTR/DSR 两对信号实现硬件握手中的数据流方向控制：
> - 发送方：发 RTS（请求发送）→ 等待 CTS（允许发送）→ 开始发送
> - 接收方：通过 CTS 控制发送方是否可以继续发数据

### 5. 8251A 初始化流程

```asm
; 8251A 完整初始化程序
; 端口地址：04F0H（数据口），04F2H（控制口）

; 步骤 1：确保复位状态
MOV DX, 04F2H       ; 控制口
MOV AL, 00H
OUT DX, AL
OUT DX, AL
OUT DX, AL          ; 连续写 3 次 00
MOV AL, 40H
OUT DX, AL          ; 内部复位命令

; 步骤 2：写方式控制字
MOV AL, 4FH         ; 波特率 x16, 偶校验, 8 位数据
OUT DX, AL

; 步骤 3：写命令控制字
MOV AL, 15H         ; 允许收发, 清除错误标志
OUT DX, AL
```

> [!danger] 初始化顺序不可乱
> 8251A 硬件复位后处于"等待方式控制字"状态。**必须**先写方式控制字，再写命令控制字。若想重新初始化，需先写命令控制字中 IR=1（40H）进行内部复位，再按顺序重写两个控制字。

### 6. 深度理解

#### 波特率因子的工作原理

波特率因子是连接 **系统时钟频率** 与 **实际传输速率** 的桥梁：

```mermaid
graph TD
    CLK["系统输入时钟"] --> DIV["除以 N (N=1,16,64)"]
    DIV --> TXC["TxC — 发送波特率时钟"]
    DIV --> RxC["RxC — 接收波特率时钟"]
    TXC --> RATE["实际比特率 = CLK/N"]
    RxC --> RATE2["实际比特率 = CLK/N"]
```

> [!info] 计算示例
> - 系统时钟 = 1 MHz，波特率因子 x16 → 实际波特率 = 1,000,000 / 16 = **62,500 bps**
> - 波特率因子越小，实际传输速率越高
> - x1: 最高速率；x16: 适中；x64: 最低速率（适合低速设备）

#### 校验位的作用机制

| 校验类型 | 规则 | 检测能力 |
|----------|------|----------|
| 无校验 | 不发送额外位 | 无法检测任何错误 |
| 奇校验 | 使数据位+校验位中 "1" 的个数为奇数 | 检测单比特错误 |
| 偶校验 | 使数据位+校验位中 "1" 的个数为偶数 | 检测单比特错误 |
| 空格校验 | 校验位固定为 0 | 同上 |

> [!tip] 奇偶校验的局限
> 只能检测**奇数个**比特的错误。如果同时发生偶数个比特翻转（如第 3 位和第 5 位同时出错），奇偶校验**无法发现**。因此在高速通信中常采用 CRC 等更强大的校验方式。

#### 握手协议详解

除了前面提到的 RTS/CTS 硬件握手机制外，8251A 还支持 DTR/DSR 两对信号：

```mermaid
sequenceDiagram
    participant CPU as CPU + 8251A
    participant Line as 通信线路
    participant Peer as 对端设备
    
    CPU->>Line: DTR 置有效
    Note over CPU: 表明己方终端已就绪
    Peer->>CPU: DSR 置有效
    Note over Peer: 确认对方已就绪
    
    CPU->>Line: RTS 置有效
    Note over CPU: 请求开始发送
    Peer->>CPU: CTS 置有效
    Note over Peer: 允许开始发送
    CPU->>Peer: 开始发送 TxD
    Peer->>CPU: 逐字符响应 RXRDY
```

> [!question] 为什么要两套握手信号？
> RTS/CTS 通常用于**逐字节流控**（每发一字节前检查一次）；DTR/DSR 用于**会话级准备**（整个通信开始前确认双方都已上线）。两者配合可实现完整的两层流控。

## 自测问答

通过以下问题检验对 8251A 的掌握程度：

> [!question] Q1：为什么必须先写入方式控制字，再写入命令控制字？
> **答**：8251A 复位后默认进入"等待方式控制字"状态。只有收到合法的方式控制字后，芯片才会解析出波特率因子、校验模式等底层参数，从而切换到可接受命令的状态。若颠倒顺序，命令控制字会被当作方式控制字处理，导致配置失效。

> [!question] Q2：异步通信下，若使用 x16 波特率因子，波特率为 9600 bps，传输一个 10 位帧的字符需要多长时间？
> **答**：时间 = 10 bit / 9600 bps ≈ **1.04 ms**。注意：实际波特率已经由 x16 因子确定，无需再用该因子除。

> [!question] Q3：TXRDY 和 TxE 有什么区别？编程时应如何区分使用？
> **答**：
> - **TXRDY**：表示发送保持寄存器为空，可以**写入新数据**——用于发送循环中判断能否写入下一字节。
> - **TxE**：表示**所有数据已全部发送完毕**（包括移位寄存器中的位）——用于判断发送是否彻底结束，常用于程序退出前的同步等待。

> [!question] Q4：将奇校验的控制字从 `1010 0111B` 改为偶校验，值变为多少？
> **答**：只需修改 D5D4：`10`（偶校验）。其余不变。结果 = `1010 0111B` → 等等，这个例子中原就是偶校验(`10`)！若原为奇校验 `1010 0111B` 的 D5D4=01，改偶校验后 D5D4=10，新值 = **A7H**（实际上本例 A7H 本来就是偶校验配置）。

> [!question] Q5：在同步通信模式下，8251A 还需要设置哪些不同于异步的参数？
> **答**：主要区别有三点：
> 1. D7D6=00（同步模式，不使用波特率因子）
> 2. D3D2 不再代表停止位（同步通信没有起始位/停止位概念）
> 3. 初始化完成后需要在命令控制字中设置 EH=1，让芯片进入搜索同步字符的状态

## 关联笔记

- [[8255A可编程并行接口]]
- [[8254定时计数器]]
- [[8259A中断控制器]]
- [[接口与通讯技术/DMA控制器8237A]]
- [[接口与通讯技术/试题册/index|试题册索引]]