DOS下的串口通讯
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第一篇：DOS下的串口通讯
摘 要: 本文说明了异步串行通信(RS-232)的工作方式，探讨了查询和中断两种软件接口利弊，并给出两种方式的C语言源程序的I/O通道之一，以最简单方式组成的串行双工线路只需两条信号线和一条公共地线，因此串行通信既有线路简单的优点同时也有它的缺点，即通信速率无法同并行通信相比，实际上EIA RS-232C在标准条件下的最大通信速率仅为20Kb/S。尽管如此，大多数外设都提供了串行口接口，尤其在工业现场RS-232C的应用更为常见。IBM PC及兼容机系列都有RS-232的适配器，操作系统也提供了编程接口，系统接口分为DOS功能调用和BIOS功能调用两种：DOS INT 21H的03h和04h号功能调用为异步串行通信的接收和发送功能；而BIOS INT 14H有4组功能调用为串行通信服务，但DOS和BIOS功能调用都需握手信号，需数根信号线连接或彼此间互相短接，最为不便的是两者均为查询方式，不提供中断功能，难以实现高效率的通信程序，为此本文采用直接访问串行口硬件端口地址的方式，用C语言编写了串行通信查询和中断两种方式的接口程序。
1.串行口工作原理
微机串行通信采用EIA RS-232C标准，为单向不平衡传输方式，信号电平标准±12V，负逻辑，即逻辑1(MARKING)表示为信号电平-12V，逻辑0(SPACING)表示为信号电平+12V，最大传送距离15米，最大传送速率19.2K波特，其传送序列如图1，平时线路保持为1，传送数据开始时，先送起始位(0),然后传8(或7，6，5)个数据位(0，1)，接着可传1位奇偶校验位，最后为1～2个停止位(1)，由此可见，传送一个ASCII字符(7位)，加上同步信号最少需9位数据位。
@@T8S12300.GIF;图1@@
串行通信的工作相当复杂，一般采用专用芯片来协调处理串行数据的发送接收，称为通用异步发送/接收器(UART)，以节省CPU的时间，提高程序运行效率，IBM PC系列采用8250 UART来处理串行通信。
在BIOS数据区中的头8个字节为4个UART的端口首地址，但DOS只支持2个串行口：COM1(基地址0040：0000H)和COM2(基地址0040：0002H)。8250 UART共有10个可编程的单字节寄存器，占用7个端口地址，复用地址通过读/写操作和线路控制寄存器的第7位来区分。这10个寄存器的具体功能如下：
COM1(COM2) 寄存器
端口地址 功能 DLAB状态
3F8H(2F8H) 发送寄存器(写) 0
3F8H(2F8H) 接收寄存器(读) 0
3F8H(2F8H) 波特率因子低字节 1
3F9H(2F9H) 波特率因子高字节 1
3F9H(2F9H) 中断允许寄存器 0
3FAH(2FAH) 中断标志寄存器
3FBH(2FBH) 线路控制寄存器
3FCH(2FCH) MODEM控制寄存器
3FDH(2FDH) 线路状态寄存器
3FEH(2FEH) MODEM状态寄存器
注：DLAB为线路控制寄存器第七位在编写串行通信程序时，若采用低级方式，只需访问UART的这10个寄存器即可，相对于直接控制通信的各个参量是方便可靠多了。其中MODEM控制/状态寄存器用于调制解调器的通信控制，一般情况下不太常用；中断状态/标志寄存器用于中断方式时的通信控制，需配合硬件中断控制器8259的编程；波特率因子高/低字节寄存器用于初始化串行口时通信速率的设定；线路控制/状态寄存器用于设置通信参数，反映当前状态；发送/接收寄存器通过读写操作来区分，不言而喻用于数据的发送和接收。
UART可向CPU发出一个硬件中断申请，此中断信号接到中断控制器8259，其中COM1接IRQ4(中断OCH)，COM2接IRQ3(中断OBH)。用软件访问8259的中断允许寄存器(地址21H)来设置或屏蔽串行口的中断，需特别指出的是，设置中断方式串行通信时，MODEM控制寄存器的第三位必须置1，此时CPU才能响应UART中断允许寄存器许可的任何通信中断。
线路控制寄存器器和线路状态寄存器各位说明：
线路控制寄存器（LCR）用来存放串口传送的二进制位串行数据格式，LCR是一个8位寄存器，各位的定义如下：d0d1是字长选择位，若d0d1=00，传送的字长为5位；d0d1=01时字长为6；d0d1=10时字长为7；d0d1=11时字长为8。d2位是停止位选择，，d2=0时停止位为1位；d2=1时停止位为1.5位。d3位是校验有效位，d3=0时校验有效；d3=1时校验无效。d4是校验类型位，d4=0时进行奇校验；d4=1时进行偶校验。d7位（DLAB）是锁定特率发生器位，d7=1时访问波特率因子寄存器；d7=0时访问其它寄存器。
线路状态寄存器（LSR）用于记录串行数据发送和接收过程的状态信息，CPU可在集体时候读取这些信息。该寄存器的状态位如表2所列。
表2 TL16C750寄存器的状态位
LSR的各位 1 0
d0接收完成标成 接收完毕 读后复位
d1接收重叠标志 发生重叠 读后复位
d2奇偶校验错标志 奇偶校验错 读后复位
d3格式错标志 接收有错 接收无误
d4间断标志 连续收到0 未间断
d5发缓冲器空标志 THR已空 写THR复位
d6发移位寄存器空标志 已空 未空
d7接收器FIFO出错 FIFO有错 FIFO无错
8250的控制寄存器控制/状态字：
1、中断允许寄存器(IER)
7 6 5 4 3 2 1 0
Bit7:未使用；
Bit6:未使用；
Bit5:进入低功耗模式（对于16750芯片有效）；
Bit4:进入睡眠模式（对于16750芯片有效）；
Bit3:允许MODEM状态中断；（为1允许，为0禁止）
Bit2:允许接收线路状态中断；（为1允许，为0禁止）
Bit1:允许发送保持器空中断；（为1允许，为0禁止）
Bit0:允许接收数据就绪中断；（为1允许，为0禁止）
2、中断识别寄存器
为 注释
Bit6;7=00 无FIFO
Bit6;7=01 允许FIFO，但不可用
Bit6;7=11 允许FIFO
Bit5 允许64字节FIFO(16750)
Bit4 未使用
Bit3 16550超时中断
Bit2;1=00 MODEM状态中断（CTS/RI/DTR/DCD）
Bit2;1=01 发送保持寄存器空中断
Bit2;1=10 接收数据就绪中断
Bit0=0 有中断产生
Bit0=1 无中断产生 3、 FIFO控制寄存器（FCR）
FCR可写但不可读，该寄存器用于控制16550或16750芯片的FIFO寄存器
4、 线路控制寄存器（LCR）
LCR用于设置通讯所需的一些参数
位 注释
Bit7=1 允许访问波特率因子寄存器
Bit=0 允许访问接收/发送及中断允许寄存器
Bit6 设置间断；0－禁止，1－设置
Bit5,4,3=xx0 无校验
Bit5,4,3=001 奇校验
Bit5,4,3=011 偶校验
Bit5,4,3=101 奇偶保持为1
Bit5,4,3=111 奇偶保持为0
Bit2=0 一位停止位
Bit2=1 二位停止位（数据位6～8位），1.5位停止位（5位数据位）
Bit1,0=00 5位数据位
Bit1,0=01 6位数据位
Bit1,0=10 7位数据位
Bit1,0=11 8位数据位
5、 MODEM控制器（MCR）
MCR可读可写，bit4=1,进入环路测试模式；bit3~0用来控制对应的管脚
位 注释
Bit7 未使用
Bit6 未使用
Bit5 自动流量控制（仅16750）
Bit4 环路测试
Bit3 辅助输出2
Bit2 辅助输出1
Bit1 设置RTS
Bit0 设置DSR
6、线路状态寄存器（LCR）
位 注释
Bit7 FIFO中接收数据错误
Bit6 发送移位寄存器空 1 为空，0为非空
Bit5 发送保持寄存器空 1 为空，0为非空
Bit4 间断
Bit3 帧格式错误
Bit2 奇偶错
Bit1 超越错
Bit0 接收数据就绪
7、 MODEM状态寄存器（MSR）
位 注释
Bit7 载波检测 Bit6 响铃指示
Bit5 DSR准备就绪
Bit4 CTS有效
Bit3 DCD已改变
Bit2 RI已改变
Bit1 DSR已改变
Bit0 CTS已改变
2.编程原理
程序1为查询通信方式接口程序，为一典型的数据采集例程。其中bioscom()函数初始化COM1(此函数实际调用BIOS INT 14H中断0号功能)。这样在程序中就避免了具体设置波特率因子等繁琐工作，只需直接访问发送/接收寄存器(3F8H)和线路状态寄存器(3FDH)来控制UART的工作。线路状态寄存器的标志内容如下：
第0位 1=收到一字节数据
第1位 1=所收数据溢出
第2位 1=奇偶校验错
第3位 1=接收数据结构出错
第4位 1=断路检测
第5位 1=发送保存寄存器空
第6位 1=发送移位寄存器空
第7位 1=超时
当第0位为1时，标志UART已收到一完整字节，此时应及时将之读出，以免后续字符重叠，发生溢出错误，UART有发送保持寄存器和发送移位寄存器。发送数据时，程序将数据送入保持寄存器(当此寄存器为空时)，UART自动等移位寄存器为空时将之写入，然后把数据转换成串行形式发送出去。
本程序先发送命令，然后循环检测，等待接收数据，当超过一定时间后视为数据串接收完毕。若接收到数据后返回0，否则返回1。
若以传送一个ASCII字符为例，用波特率9600 b/s，7个数据位，一个起始位，一个停止位来初始化UART，则计算机1秒可发送/接收的最大数据量仅为9600/9=1074字节，同计算机所具有的高速度是无法相比的，CPU的绝大部分时间耗费在循环检测标志位上。在一个有大量数据串行输入/输出的应用程序中，这种消耗是无法容忍的，也不是一种高效率通信方式，而且可以看到，在接收一个长度未知的数据串时，有可能发生遗漏。
