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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["停止位(1, 1.5, 2)"]
```

> [!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
>
> 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 x16，偶校验，8 位数据，1 位停止位
>
> D7D6=01（x1 → 按试卷答案 D7D6=01 即因子 1）, D3D2=11, D1D0=11
>
> 控制字 = `0100 1111B` = **4FH**

#### 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=正常  0  0=RTS高 0  0    0    0    0=禁止
1=内部  1  1=RTS低 1  1    1    1    1=允许
复位
```

各位功能：

| 位 | 符号 | 含义 |
|:--:|------|------|
| D0 | **TxEN** | 发送允许（1=允许发送） |
| D1 | **DTR** | 数据终端准备好（0=DTR 输出低） |
| 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（0=RTS 输出低电平） |
| 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**：允许发送和接收，清除错误标志
>
> TxEN=1, RxE=1, ER=1, 其余=0
>
> 命令控制字 = `0001 0101B` = **15H**

### 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） |
| **CTS** | 清除发送（输入，外设应答） |
| **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。

## 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]]