MCS-51串行口具有两条独立的数据线：发送端TXD、接收端RXD，允许数据同时往两个相反的方向传输。一般通信时发送数据由TXD端输出，接收数据由RXD端输入。
一、串行口的控制寄存器
MCS-51单片机串行口是由缓冲器SBUF、移位寄存器、串行口控制寄存器SCON、电源控制寄存器PCON及波特率发生器T1组成。
1．串行口数据缓冲器SBUF
MCS-51单片机内的串行接口部分，具有两个物理上独立的缓冲器：发送缓冲器和接收缓冲器，以便能以全双工的方式进行通信。串行口的接收由移位寄存器和接收缓冲器构成双缓冲结构，能避免在接收数据过程中出现帧重叠。发送时因为CPU是主动的，不会发生帧重叠错误，所以发送结构是单缓冲的。
在逻辑上，串行口的缓冲器只有一个，它既表示接收缓冲器，也表示发送缓冲器。两者共用一个寄存器名SBUF，共用一个地址99H。
即：在完成串行口初始化后，发送数据时，采用MOV SBUF,A指令，将要发送的数据输入SBUF，则CPU自动启动和完成串行数据的输出；接收数据时，采用MOV A,SBUF指令，CPU就自动将接收到的数据从SBUF中读出。
2.串行口控制寄存器SCON
串行口控制寄存器SCON包含：串行口工作方式选择位、接收发送控制位、以及串行口状态标志位。其格式如下：
D7 |
D6 |
D5 |
D4 |
D3 |
D2 |
D1 |
D0 |
SM0 |
SM1 |
SM2 |
REN |
TB8 |
RB8 |
TI |
RI |
①SM0 SM1（SCON.7、SCON.6）：串行口的工作方式选择位，其编码见表6-1。
表6-1 串行口的工作方式
SM0 SM1 SM1 |
工作方式 |
说 明 |
波特率 |
0 0 |
方式0 |
同步移位寄存器 |
fosc/12 |
0 1 |
方式1 |
10位异步收发 |
由定时器控制 |
1 0 |
方式2 |
11位异步收发 |
fosc/32或fosc/64 |
1 1 |
方式3 |
11位异步收发 |
由定时器控制 |
②SM2（SCON.5）：多机通信控制位。在方式2或方式3中，若SM2＝1，则只有当接收到的第9位数据(RB8)为1时，才能将接收到的数据送入SBUF，并使接收中断标志RI置位向CPU申请中断，否则数据丢失；若SM2＝0，则不论接收到的第9位数据为1还是为0，都将会把前8位数据装入SBUF中，并使接收中断标志RI置位向CPU申请中断。在方式1，如SM2＝1，则只有收到有效的停止位时才会使RI置位。在方式0时，SM2必须为0。
③REN（SCON.4）：串行口接收允许位。由软件置位以允许接收，由软件清0来禁止接收。
④TB8（SCON.3）：在方式2和方式3中为发送的第9位数据。在多机通信中，常以该位的状态来表示主机发送的是地址还是数据。通常协议规定：TB8为“0”表示主机发送的是数据，为“1”表示发送的是地址。
⑤RB8（SCON.2）：在方式2和方式3中为接收到的第9位数据。它和SM2、TB8一起用于通信控制。
⑥TI（SCON.1）：发送中断标志。由硬件在方式0串行发送第8位结束时置位，或在其他方式串行发送停止位的开始时置位，必须由软件清“0”。
⑦RI（SCON.0）：接收中断标志。由硬件在方式0串行接收到第8位结束时置位，或在其他方式串行接收到停止位的中间时置位，必须由软件清“0”。
3.电源控制寄存器PCON
电源控制寄存器PCON的格式如下：
D7 |
D6 |
D5 |
D4 |
D3 |
D2 |
D1 |
D0 |
SMOD |
|
|
|
|
|
|
|
D7位SMOD是串行口波特率倍增位。SMOD为1时，串行口工作方式1、方式2、方式3的波特率加倍。具体值见各种工作方式下的波特率计算公式。
二、串行口的工作方式
(一)方式0
方式0为同步移位寄存器输入输出方式。其工作方法是：串行数据通过RXD端输入/输出，TXD则用于输出移位时钟脉冲。方式0时，收发的数据为8位，低位在前，高位在后。波特率固定为fosc/12，其中fosc为单片机的晶振频率。
图6-6 方式0发送、接收电路 a) 发送接口电路 b) 接收接口电路 |
利用此工作方式，可以在串行口外接移位寄存器以扩展I/O接口，也可以外接串行同步输入输出的设备。图6-6所示为串行口外接一片移位寄存器74LS164的输出接口电路和74LS165的输入接口电路的情况。
数据的发送是以写SBUF寄存器指令开始的，8位数据由低位至高位顺序由RXD端输出，同时由TXD端输出移位脉冲，且每个脉冲输出一位数据。8位数据输出结束时TI被置位。在图6-6a所示串行口输出电路中，74LS164为一串入并出的移位寄存器，据此通过串行口方式0发送数据可编程如下：
|
WAIT： |
MOV SETB MOV MOV JNB CLR CLR |
SCON,＃00H P1.0 A,#DATA SBUF,A TI,WAIT TI P1.0 |
；选通74LS164 ；置要发送的数据 ；数据写入SBUF并启动发送 ；等待一个字节数据发送完 ；清除TI ；关闭74LS164 |
图6-6 b是串行口在方式0下利用并入串出芯片74LS165来完成数据的接收。接收是在REN=1和RI=0同时满足时开始的，在移位时钟同步下，将数据字节的低位至高位一位一位地接收下来并装入SBUF中，结束时RI置位。
(二)方式1
串行接口工作于方式1时，被定义为10位的异步通信接口，即传送一帧信息为10位。一位起始位“0”，8位数据位(先低位后高位)，一位停止位“1”。其中起始位和停止位是在发送时自动插入的。
串行接口以方式1发送时，数据由TXD端输出。CPU执行一条数据写入发送缓冲器SBUF的指令(即：MOV SBUF，A指令)，将数据字节写入SBUF后，便启动串行口发送，发送完一帧信息，发送中断标志TI置“1”。
方式1的波特率是可变的，可由以下公式计算得到：
方式1波特率＝2SMOD·(定时器1的溢出率)/32
(三)方式2和方式3
串行接口工作于方式2和方式3时，被定义为11位的异步通信接口，即传送一帧信息为11位。一位起始位“0”，8位数据位(从低位至高位)、一位附加的第9位数据(可程控为1或0)，一位停止位“1”。其中起始位和停止位是在发送时自动插入的。
方式2或方式3发送时，数据由TXD端输出，发送一帧信息为11位，附加的第9位数据就是SCON中的TB8，CPU执行一条数据写入发送缓冲器SBUF的指令(即指令MOV SBUF,A)，就启动串行口发送，发送完一帧信息，发送中断标志TI置位。
方式2和方式3的操作过程是一样的，所不同的是它们的波特率。
方式2波特率＝2SMOD·fosc/64
方式3波特率＝2SMOD·(定时器1的溢出率)/32
三、波特率的设置
MCS-51单片机串行口通信的波特率取决于串行口的工作方式。当串行口被定义为方式0时，其波特率固定等于 。当串行口被定义为方式2时，其波特率= ，即当SMOD=0时，波特率= ；当SMOD=1时，波特率= 。SMOD是PCON寄存器的最高位，通过软件可设置SMOD=0或l。因为PCON无位寻址功能，所以，要想改变SMOD的值，可通过执行以下指令来完成：
ANL PCON，#7FH ；使SMOD=0
ORL PCON，#80H ；使SMOD=1
当串行口被定义为方式1或方式3时，其波特率=2SMOD×定时器T/C1的溢出率/32。定时器T/C1的溢出率，取决于计数速率和定时器的预置值。下面说明T/C1溢出率的计算和波特率的设置方法。
1．T/C1溢出率的计算
在串行通信方式1和方式3下，使用定时器T/C1作为波特率发生器。T/C1可以工作于方式0、方式1和方式2，其中方式2为自动装入时间常数的8位定时器，使用时只需进行初始化，不需要安排中断服务程序重装时间常数，因而在用T/C1作波特率发生器时，常使其工作于方式2。
前面我们介绍过定时器定时时间的计算方法，同样，我们设X为时间常数即定时器的初值； 为晶振频率，当定时器T/C1工作于方式2时，则有：
溢出周期=(28-X)×12/
溢出率=1/溢出周期= /[12(28-X)]
2．波特率的设置
由上述可得，当串行口工作于方式1或方式3、定时器T/C1工作于方式2时
波特率=2SMOD×定时器T/C1溢出率/32
=2SMOD× /[32×12(28-X)]
当 =6MHz，T/C1工作于方式2时，波特率的范围为61.04～31250b/s。
由上式可以看出，当X=255时，波特率为最高。如 =12MHz，SMOD=0，则波特率为31.25Kb/s，若SMOD=1，则波特率为62.5Kb/s。这是 =12MHz时波特率的上限。若需要更高的波特率，则需要提高主振频率 。
在实际应用中，一般是先按照所要求的通信波特率设定SMOD，然后再算出T/C1的时间常数。即：
X=28-2SMOD× /(384×波特率)
例如，某8051单片机控制系统，主振频率为12MHz，要求串行口发送数据为8位、波特率为1200b/s，编写串行口的初始化程序。
我们设SMOD=1，则T/C1的时间常数X的值为：
X=28-2SMOD× /(384×波特率)
=256-2×12×106/(384×1200)
=256-52.08=203.92≈0CCH
初始化程序为：
MOV SCON，#50H ；串行口工作于方式1
ORL PCON，#80H ；SMOD=1
MOV TMOD，#20H ；T1工作于方式2，定时方式
MOV TH1，#0CCH ；设置时间常数初值
MOV TL1，#0CCH
SETB TR1 ；启动T/C1
再如，要求串行通信波特率为2400b/s，假设 =6MHz，SMOD=1，则T/C1的时间常数为：
X=28-21×6×106/(384×2400)
=242.98≈243=F3H
定时器T/C1和串行口的初始化程序如下：
MOV TMOD，#20H ；设T/C1为方式2定时
MOV THl，#0F3H ；置时间常数
MOV TLl，#0F3H
SETB TRl ；启动T/C1
ORL PCON，#80H ；SMOD=1
MOV SCON，#50H ；设串行口方式1
执行上面的程序后，即可使串行口工作于方式1，波特率为2400b/s。
需要指出的是，在波特率的设置中，SMOD位数值的选择直接影响着波特率的精确度。以上例所用数据来说明，波特率=2400b/s， =6MHz，这时SMOD可以选为1或0。由于对SMOD位数值的不同选择，所产生的波特率误差是不同的。
1)选择SMOD=1，由上面计算已得T/C1时间常数X=243，按此值可算得T/C1实际产生的波特率及误差为
波特率＝2SMOD× /[2×12(28-X)]
＝21× /[32×12(256-243)]
＝2403.85b/s
波特率误差＝(2403.85-2400)/2400＝0.16％
2)选择SMOD＝0，此时
X＝28-2０×6×10６/(384×2400)＝249.49≈249
由此值可以算出T/C1实际产生的波特率及误差为：
波特率＝2０×6×10６/[32×12(256－249)]＝2232.14b/s
波特率误差＝(2400－2232.14)/2400＝6.99％
上面的分析计算说明了SMOD值虽然可以任意选择，但在某些情况下它会使波特率产生误差。因而在波特率设置时，对SMOD值的选取也需要予以考虑。
表6-2列出了常用波特率的设置方法。
表6-2 常用波特率设置方法
波特率 /Hz |
/MHz |
SMOD |
定时器1 |
||
C/ |
方式 |
重新装入值 |
|||
|
方式0最大：1M 方式2最大：375k 方式1、3：62.5k 19.2k 9.6k 4.8k 2.4k 1.2k 110 |
12 12 12 11.0592 11.0592 11.0592 11.0592 11.0592 12 |
X 1 1 1 0 0 0 0 0 |
X X 0 0 0 0 0 0 0 |
X X 2 2 2 2 2 2 1 |
X X FFH FDH FDH FAH F4H E8H 0FEEH |