8251A芯片的基本结构及功能

在微型计算机中，最早被使用的串行接口芯片是Intel提供的8251A可编程串行通信接口，它具有独立的双缓冲结构的接收器和发送器，通过编程可以选择同步方式或异步方式。无论同步方式还是异步方式，8251A都提供了非常丰富的选择与控制功能。8251A的结构如图8-15所示。

图8-15 8251A内部结构

8251A由7个模块组成，这7个模块为接收缓冲器、接收控制电路、发送缓冲器、发送控制电路、数据总线缓冲器、读写控制逻辑电路和调制/解调控制电路。

1）接收缓冲器与接收控制电路：从RxD引脚上接收串行数据，并按照相应的格式转换为并行数据。以异步模式为例：

●芯片复位后，先检测输入信号中的有效“1”，一旦检测到，就接着寻找有效的低电平来确定启动位，并消除假起动干扰。

●对接收到的信息进行奇偶校验，并根据校验结果设置相应的状态位。

●检测停止位，并按检测结果，设置状态位。接收控制电路的主要信号有：

●RxRDY：接收器准备好信号，用来表示当前8251A已经从外围设备或调制解调器接收到一个字符，正等待CPU取走。因此，在中断方式时，RxRDY可用作中断请求信号。当CPU从8251A读取一个字符后，RxRDY便变为低电平，等到下一次接收到新的字符后，又升为高电平。

●SYNDET：同步检测信号，只用于同步方式。SYNDET引脚可工作在输入状态，也可工作在输出状态，这决定于8251A工作在内同步状态还是工作在外同步状态，而这两种情况又决定于8251A的初始化编程。当8251A工作在内同步情况时，SYNDET作为输出端，如果8251A检测到了所要求的同步字符，则SYNDET便变为高电平，用来表明8251A当前已经达到同步。在双同步情况下，SYNDET信号会在第二个同步字符的最后一位被检测到后，在这一位的中间变为高电平，从而表明已经达到同步。当8251A工作在外同步情况时，SYNDET作为输入端，从这个输入端进入的一个正跳变，会使8251A在RxC的下一个下降沿时开始装配字符。这种情况下，SYNDET的高电平状态最少要维持一个RxC周期，以便遇上RxC的下一个下降沿。在复位时，SYNDET变为低电平。

●RxC：接收时钟，异步模式下其频率等于接收波特率乘以波特率常数，同步模式下其频率等于波特率。

2）发送缓冲器与发送控制电路：把来自CPU的并行数据，加上相应的控制信息，然后转换为串行数据，并从TxD引脚发送出去。异步方式下，需要为数据加上起始位、校验位和停止位。同步方式下，需要插入同步字符，并在数据中插入校验位。主要信号有：

●TxRDY：发送器准备好信号。TxRDY用来告诉CPU 8251A已经准备好发送一个字符。实际使用时，如果8251A和CPU之间采用中断方式联系，则TxRDY可以作为中断请求信号使用。CPU通过读操作便能检测TxRDY，从而了解8251A的当前状态，进一步决定是否可以往8251A输送一个字符。不管是用中断方式还是查询方式，当8251A从CPU得到一个字符后，TxRDY变为低电平。

●TxE：发送空信号，高电平时有效，用来表示此时8251A发送器中并行到串行转换器空，它实际上指示了一个发送动作的完成。当8251A从CPU得到一个字符时，TxE便成为低电平。同步方式串行传输不允许字符之间有空隙，但是CPU有时却来不及往8251A输送一个字符，此时TxE变为高电平，发送器在输出线上插入同步字符，从而填补了传输空隙。

●TxC：发送时钟，异步模式下其频率等于发送波特率乘以波特率常数，同步模式下其频率等于波特率。大多数情况下TxC和RxC使用同一个时钟。

3）数据总线缓冲器与读/写控制逻辑：数据总线缓冲器用来把8251A和系统数据总线相连，在CPU执行输入/输出指令期间，由数据总线缓冲器发送和接收数据，此外，各种控制字、命令字和状态信息也通过数据总线缓冲器传输。读/写控制逻辑用来配合数据总线缓冲器工作，包括如下信号：

●写信号，将来自数据总线的数据和控制字写入8251A。

●读信号，将数据或状态字从8251A读出到数据总线。

●控制/数据信号，将此信号和读/写信号合起来通知8251A，当前读/写的是数据还是控制字、状态字。信号一般连接地址总线的最低位A₀，从而使偶地址端口的读写对应于数据读写，而奇地址端口的读写对应于控制字和状态字的读写。

●片选信号，用于确定当前8251A是否被选中，通常情况下信号由地址信号译码产生。

●时钟信号CLK，完成8251A的内部定时。在异步模式下，CLK的频率应该大于波特率的4.5倍，同步模式下，CLK的频率应该大于波特率的30倍。

●复位信号RESET，使8251A处于空闲状态。

4）调制/解调器控制电路：为Modem提供一组通用控制信号，简化8251A和调制解调器的连接。在进行远程通信时，要用调制器将串行接口送出的数据信号变为模拟信号，再发送出去，接收端则要用解调器将模拟信号变为数字信号，再由串行接口送往计算机主机。在全双工通信情况下，每个收发站都要连接调制解调器。有了调制解调控制电路，就提供了一组通用的控制信号，使得8251A可以直接和调制器连接。8251A未提供DCD（数据载波检测信号）和RI（振铃信号），如需使用DCD和RI，必须另加接口电路来提供。

从编程的角度来看，8251A提供有1个数据输入缓冲寄存器和1个数据输出缓冲寄存器，1个发送移位寄存器和1个接收移位寄存器，1个控制寄存器和1个状态寄存器，1个模式寄存器和2个同步字符寄存器。其中，数据输入缓冲器和数据输出缓冲器使用同一个端口地址，但实际上作为两个端口，一个为输入端口，一个为输出端口。即对偶地址端口（即C/D=0时）的读写操作分别对应于读数据输入缓冲器和写数据输出缓冲器。

图8-16简要描述了8251A芯片的编程结构，其中发送移位寄存器和接收移位寄存器分别用于发送数据时的并-串转换和接收数据时的串-并转换。接收移位寄存器将到达RxD端的串行数据接收之后进行移位，变为8位并行数据，传送到数据输入缓冲寄存器，然后通过数据总线传送到CPU。在计算机通过8251A输出数据的过程中，CPU通过数据总线将数据送到8251A的数据输出缓冲寄存器，再传输到发送移位寄存器。移位寄存器用移位的办法将并行数据变为串行数据，然后，从TxD端送往外围设备。(www.xing528.com)

图8-16 8251A编程结构

8251A在不同方式下收发数据的过程如下。

1）异步接收

●在没有字符时，RxD线上为高电平。8251A把RxD线上第一次出现的低电平作为起始位。

●当检测到起始位后，8251启动一个内部计数器，以波特率因子为16为例，当计数器计到8个脉冲时，再检测RxD线，若RxD为高，则8251A认为RxD线上出现了干扰（假起始），重新开始检测起始位。若RxD仍为低，则8251A确认收到一个有效的起始位。

●当8251A确认起始位后，进入正常的数据采样，如波特率因子为16，则每隔16个接收时钟脉冲，采样一次RxD线，RxD为高，作为“1”，RxD为低，作为“0”，并将采样的数据送入“接收移位寄存器”。

●当收到规定的一帧信息，8251A进行奇偶校验，并根据校验结果，设置校验状态位。如果校验正确，则去掉校验位和停止位，只把有效数据送入“数据输入寄存器”，同时设置“状态寄存器”中的输入有效状态位，发出RxRDY信号。CPU可从状态寄存器中查询RxRDY信号，也可把RxRDY信号作为中断请求信号，以便及时处理收到的数据。

●若有效数据少于8位，8251A把“数据输入寄存器”的高位填“0”。

2）异步发送

●当程序把8251A的控制寄存器TxEN位置1后，若8251A收到DCE发来的信号，则开始发送。若无Modem，应将8251A的端接地。

●发送控制电路，根据编程要求装配信息帧，即为每个字符加上起始位、校验位和停止位，并把装配后的信息帧送至发送移位寄存器。

●发送移位寄存器，在发送时钟TxC的控制下，按波特率因子的要求，把装配好的信息帧一位一位地从TxD端上发出。

●当一帧信息发完后，8251A发出TxE信号，表示已完成本帧发送（发送移位寄存器空）。

●若TxE有效，且为低（DCE允许发送），TxEN位置1（程序允许发送），则8251A发出TxRDY信号，表示8251A可以再从CPU获得数据，重新开始发送。CPU可从状态寄存器中查询TxRDY信号，也可把TxRDY信号作为中断请求信号，以便开始下一字符的发送。

3）同步接收

●搜索同步字符：8251A监测RxD线，每当RxD线出现一个数据位时，就将其送入“接收移位寄存器”，然后比较“接收移位寄存器”和“同步字符寄存器”，若不等，8251A接收下一个数据位，若相等，表示已找到同步字符，实现了同步，8251A发出SYNDET信号（Synchronization Detected，同步检测）。对于双同步，只有连续找到两个同步字符，才发出SYNDET信号。SYNDET是一个双向信号线，如果在SYNDET上外加一个高电平，8251A立刻脱离对同步字符的搜索，认为已完成同步（外同步）。

●实现同步后，按时钟信号对RxD线采样，并把收到的数据位送入“接收移位寄存器”。采样频率即“接收移位寄存器”的移位频率等于接收时钟RxC上的输入频率。在同步方式下，无波特率因子，或者说波特率因子固定为1。

●接收到规定的数位时，接收移位寄存器的内容送“数据输入寄存器”，并发出RxRDY信号。

4）同步发送

●当程序设置TxEN位，且有效后，8251A开始发送。

●发一个或两个同步字符。

●发数据块（数据块的每个字符根据编程要求，是否加上奇偶校验位）。

●在8251A发送过程中，若CPU来不及提供新的数据给8251A，则8251A自动插入同步字符。