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2026-06-26 23:05 |
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["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：
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
; 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。