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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

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：

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

; 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：

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：

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：

D7D6=00（同步模式，不使用波特率因子）

D3D2 不再代表停止位（同步通信没有起始位/停止位概念）

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

11 KiB Raw Blame History Unescape Escape