串行口的結構比較復雜，它具有 4 種工作模式，這些工作模式可以用 SCON 中的 SM0 和 SM1 兩位編碼決定。以下著重介紹各種模式的工作原理。

模式 0：

串行口工作模式 0 為同步移位寄存器輸入/輸出模式，可外接移位寄存器，以擴展 I/O 口。

模式 0 又分為模式 0 輸出和模式 0 輸入兩種工作狀態(tài)。但應注意：在這種模式下，不管輸出還是輸入，通信數據總是從 P3.0(RXD) 管腳輸出或輸入，而 P3.1(TXD) 管腳總是用于輸出移位脈沖，每一個移位脈沖將使 RXD 端輸出或者輸入一位二進制碼。在 TXD 端 的移位脈沖即為模式 0 的波特率，其值固定為晶振頻率 fOSC 的 1/12 ，即每個機器周期移動一位數據。

(1) 模式 0 輸出狀態(tài) 。當一個數據寫入串行口數據緩沖器時，就開始發(fā)送。在此期間，發(fā)送控制器送出移位信號，使發(fā)送移位寄存器的內容右移一位。直至最高位(D7 位) 移出后，停止發(fā)送數據和移位脈沖，完成了發(fā)送一幀數據的過程，并置發(fā)送中斷標志 TI 為 1，申請中斷或用于查詢。

這是將單片機的串行口擴展為若干并行輸出口的工作模式，常用的外接擴展芯片是串行輸入/8 位并行輸出的移位寄存器 74LS164 。它與單片機的連接電路如圖 6.10 所示。

圖 6.10 外接移位寄存器輸出

每片 74LS164 有兩個串行數據輸入端和一個同步移位脈沖輸入端，以及 8 個并行輸出口。時鐘 CLK 端上每一個上升沿都會使該芯片的 8 位數據輸出右移一位。

(2) 模式 0 輸入狀態(tài)。在特殊功能寄存器 SCON 中，位 REN 是串行 口允許接收控制位。當 REN=0 時，禁止接收;當 REN=1 時，允許接收。當串行口置為模式 0 ，且滿足 REN=1 和 RI=0 的條件時，就會啟動一次接收過程。在機器周期的 S6P2 時刻，在串行口 內接收控制器向移位寄存器寫入 11111110 ，并在 TXD 端輸出移位脈沖，從 RXD 端輸入一位數據，同時使輸入移位寄存器內容左移一位，其右端補上剛由 RXD 端輸入的數據。這 樣，原先在輸入移位寄存器中的 1 就逐位從左端移出，而在 RXD 引腳上 的數據就逐位從右端移入，當寫入移位寄存器最左端的一個 0 移到最左端時，其右邊已經接收了 7 位數據。這時，將通知接收控制器進行最后一次移位，并把所接收的數據裝入SBUF，置位接收中斷標志位 RI，提供申請中斷或查詢標志。

這是將單片機的串行口擴展為若干并行輸入口的工作模式，常用的外接擴展芯片是 8 位并行輸入/串行輸出移位寄存器 74LS165 。它與單片機的連接電路如圖 6.11 所示。 74LS165 有 8 個并行輸入端，一個串行輸出端，以及一個用于移位的時鐘輸入端。在同步移位脈沖的作用下，每個脈沖使 8 位并行輸入數據左移一位，最高位移入單片機 RXD 端， 8 個移位脈沖可以使 1 個字節(jié)信息通過 RXD 引腳送入單片機的 SBUF 中。

圖 6.11 外接移位寄存器輸入

模式 1 ：

串行口工作于模式 1 時，為波特率可變的 8 位異步通信接口 。數據位由 P3.0(RXD) 端接收，由 P3.1(TXD) 端發(fā)送。傳送一幀信息為 10 位：一位起始位(0)，8 位數據位(低位 在前) 和一位停止位(1)。 波特率是可變的，它取決于定時器 T1 的溢出速率及 SMOD 的狀態(tài)。

(1) 模式 1 發(fā)送過程。用軟件清除 TI 后，CPU 執(zhí)行任何一條以 SBUF 為目標寄存器的指令，就啟動發(fā)送過程。數據由 TXD 引腳輸 出，此 的發(fā)送移位脈沖是 由定時器/計數器 T1 送來的溢出信號經過 16 或 32 分頻而取得的。一幀信號發(fā)送完時，將置位發(fā)送中斷 標志 TI=1，向 CPU 申請中斷，完成一次發(fā)送過程。

(2) 模式 1 接收過程。用軟件清除 RI 后，當允許接收位 REN 被置位 1 時，接收器以 選定波特率的 16 倍的速率采樣 RXD 引腳上的電平，即在一個數據位期間有 16 個檢測脈沖，并在第 7 、8 、9 個脈沖期間采樣接收信號，然后用三中取二的原則確定檢測值，以抑制 干擾。并且采樣是在每個數據位的中間，避免了信號邊沿的波形失真造成的采樣錯誤。當檢測到有從“1”到“0”的負跳變時，則啟動接收過程，在接收移位脈沖的控制下，接收完一幀信息。當最后一次移位脈沖產生時能滿足下列兩個條件：

① RI=0 ;

② 接收到的停止位為 1 或 SM2=0 。

則停止位送入 RB8 ，8 位數據進入 SBUF，并置接收中斷標志位 RI=1 ，向 CPU 發(fā)出中斷 求，完成一次接收過程。否則，所接收的一幀信息將丟失，接收器復位，并重新檢測由“1”至“0”的負跳變，以便接收下一幀信息。注意：接收中斷標志應由軟件清除，通常串行口以模式 1 工作時，SM2 設置為“0”。

模式 2 和模式 3：

串行口工作于模式 2 和模式 3 時，被定義為 9 位異步通信接口。它們的每幀數據結構是 11 位的：最低位是起始位(0)，其后是 8 位數據位(低位在先)，第 10 位是用戶定義位 (SCON 中的 TB8 或 RB8)，最后一位是停止位(1)。模式 2 和模式 3 工作原理相似 ，唯一的差別是模式 2 的波特率是固定的，即為 fOSC/32 或 fOSC/64;而模式 3 的波特率是可變的，與定時器 T1 的溢出率有關。

(1) 模式 2 和模式 3 的發(fā)送過程。發(fā)送過程是由執(zhí)行任何一條 SBUF 為目的寄存器的指令來啟動的。由“寫入 SBUF”信號把 8 位數據裝入 SBUF ，同時還把 TB8 裝入發(fā)送移位寄存器的第 9 位，并通知發(fā)送控制器要求進行一次發(fā)送。發(fā)送開始，把一個起始位(0) 送到 TXD 端。移位后，數據由移位寄存器送到 TXD 端。再過一位，出現第一個移位脈沖。第一次移位時，把一個停止位“1”由控制器的停止位發(fā)生端送入移位寄存器的第 9 位。此后，每次移位時，把 0 送入第 9 位。因此，當 TB8 的內容送到移位寄存器的輸出位置時，其左面一位是停止位“1”，而再往左的所有位全為“0”。這種狀態(tài)由零檢測器檢測到后，就通知發(fā)送控制器作最后一次移位，然后置 TI=1 ，請求申請中斷 。第 9 位數據(TB8) 由軟件置位或清零，可以作為數據的奇偶校驗位，也可以作為 多機通信中的地址、數據標志位。如把 TB8 作為奇偶校驗 位 ，可以在發(fā)送程序中 ，在數據寫入 SBUF 之前，先將數據位寫入 TB8 。

(2) 模式 2 和模式 3 接收過程。與模式 1 類似，模式 2 和模式 3 接收過程始于在 RXD 端檢測到負跳變時，為此，CPU 以波特率 16 倍的采樣速率對 RXD 端不斷采樣。一檢測到負跳變，16 分頻計數器就立刻復位，同時把 1FFH 寫入輸入移位寄存器。計數器 的 16 個 狀態(tài)把一位時間等分成 16 份，在每一位的第 7 、8 、9 個狀態(tài)時，位檢測器對 RXD 端 的值采樣。如果所接收到的起始位無效(為 1)， 則復位接收電路，等待另一個負跳變的到來。若 起始位有效(為 0)， 則起始位移入移位寄存器，并開始接收這一幀的其余位。當起始位 0 移到最左面時，通知接收控制器進行最后一次移位。把 8 位數據裝入接收緩沖器 SBUF，第 9 位數據裝入 SCON 中的 RB8，并置中斷標志 RI=1。裝入 SBUF 和 RB8 以及置位 RI 的信號只有在產生最后一個移位脈沖且同滿足下列兩個條件時，才會產生：

① RI=0 ;

② SM2=0 或接收到的第 9 位數據為“1”。

上述兩個條件中任一個不滿足，所接收的數據幀就會丟失，不再恢復。兩者都滿足時，第 9 位數據裝入 TB8 ，前 8 位數據裝入 SBUF 。

請注意：與模式 1 不 同，模式 2 和 3 中裝入 RB8 的是第 9 位數據，而不是停止位， 所接收的停止位的值與 SBUF、RB8 和 RI 都沒有關系，利用這一特點可將其用于多機通信中。