UART串行通信詳解 |
| 時間：2013-05-03 20:38:58 來源： 作者： |
UART定義：
UART是一種通用串行數(shù)據總線，用于異步通信。該總線雙向通信，可以實現(xiàn)全雙工傳輸和接收。在嵌入式設計中，UART用來主機與輔助設備通信，如汽車音響與外接AP之間的通信，與PC機通信包括與監(jiān)控調試器和其它器件，如EEPROM通信。
計算機與UART：
因為計算機內部采用并行數(shù)據，不能直接把數(shù)據發(fā)到Modem，必須經過UART整理才能進行異步傳輸，其過程為：CPU先把準備寫入串行設備的數(shù)據放到UART的寄存器（臨時內存塊）中，再通過FIFO（First Input First Output，先入先出隊列）傳送到串行設備，若是沒有FIFO，信息將變得雜亂無章，不可能傳送到Modem。
它是用于控制計算機與串行設備的芯片。有一點要注意的是，它提供了RS-232C數(shù)據終端設備接口，這樣計算機就可以和調制解調器或其它使用RS-232C接口的串行設備通信了。作為接口的一部分，UART還提供以下功能：將由計算機內部傳送過來的并行數(shù)據轉換為輸出的串行數(shù)據流。將計算機外部來的串行數(shù)據轉換為字節(jié)，供計算機內部并行數(shù)據的器件使用。在輸出的串行數(shù)據流中加入奇偶校驗位，并對從外部接收的數(shù)據流進行奇偶校驗。在輸出數(shù)據流中加入啟停標記，并從接收數(shù)據流中刪除啟停標記。處理由鍵盤或鼠標發(fā)出的中斷信號（鍵盤和鼠標也是串行設備）?？梢蕴幚碛嬎銠C與外部串行設備的同步管理問題。有一些比較高檔的UART還提供輸入輸出數(shù)據的緩沖區(qū)，現(xiàn)在比較新的UART是16550，它可以在計算機需要處理數(shù)據前在其緩沖區(qū)內存儲16字節(jié)數(shù)據，而通常的UART是8250?，F(xiàn)在如果您購買一個內置的調制解調器，此調制解調器內部通常就會有16550 UART。
UART是計算機中串行通信端口的關鍵部分。在計算機中，UART相連于產生兼容RS232規(guī)范信號的電路。RS232標準定義邏輯“1”信號相對于地為-3到-15伏，而邏輯“0”相對于地為+3到+15伏。所以，當一個微控制器中的UART相連于PC時，它需要一個RS232驅動器來轉換電平。
Uart這里指的是TTL電平的串口；RS232指的是RS232電平的串口。
TTL電平是5V的，而RS232是負邏輯電平，它定義+5~+12V為低電平，而-12~-5V為高電平。
Uart串口的RXD、TXD等一般直接與處理器芯片的引腳相連，而RS232串口的RXD、TXD等一般需要經過電平轉換(通常由Max232等芯片進行電平轉換)才能接到處理器芯片的引腳上，否則這么高的電壓很可能會把芯片燒壞。
我們平時所用的電腦的串口就是RS232的，當我們在做電路工作時，應該注意下外設的串口是Uart類型的還是RS232類型的，如果不匹配，應當找個轉換線(通常這根轉換線內有塊類似于Max232的芯片做電平轉換工作的)，可不能盲目地將兩串口相連。
UART如何通信：
UART首先將接收到的并行數(shù)據轉換成串行數(shù)據來傳輸。消息幀從一個低位起始位開始，后面是5~8個數(shù)據位，一個可用的奇偶位和一個或幾個高位停止位。接收器發(fā)現(xiàn)開始位時它就知道數(shù)據準備發(fā)送，并嘗試與發(fā)送器時鐘頻率同步。如果選擇了奇偶，UART就在數(shù)據位后面加上奇偶位。奇偶位可用來幫助錯誤校驗。
在接收過程中，UART從消息幀中去掉起始位和結束位，對進來的字節(jié)進行奇偶校驗，并將數(shù)據字節(jié)從串行轉換成并行。UART也產生額外的信號來指示發(fā)送和接收的狀態(tài)。例如，如果產生一個奇偶錯誤，UART就置位奇偶標志。
UART通信速率：
數(shù)據傳輸可以首先從最低有效位(LSB)開始。然而，有些UART允許靈活選擇先發(fā)送最低有效位或最高有效位(MSB)。微控制器中的UART傳送數(shù)據的速度范圍為每秒幾百位到1.5Mb。例如，嵌入在ElanSC520微控制器中的高速UART通信的速度可以高達1.152Mbps。UART波特率還受發(fā)送和接收線對距離(線長度)的影響。
目前，市場上有只支持異步通信和同時支持異步與同步通信的兩種硬件可用于UART。前者就是UART名字本身的含義，在摩托羅拉微控制器中被稱為串行通信接口(SCI)；Microchip微控制器中的通用同步異步收發(fā)器(USART)和在富士通微控制器中的UART是后者的兩個典型例子。
UART通信協(xié)議：
UART作為異步串口通信協(xié)議的一種，工作原理是將傳輸數(shù)據的每個字符一位接一位地傳輸。
其中各位的意義如下：
起始位：先發(fā)出一個邏輯”0”的信號，表示傳輸字符的開始。
資料位：緊接著起始位之后。資料位的個數(shù)可以是4、5、6、7、8等，構成一個字符。通常采用ASCII碼。從最低位開始傳送，靠時鐘定位。
奇偶校驗位：資料位加上這一位后，使得“1”的位數(shù)應為偶數(shù)(偶校驗)或奇數(shù)(奇校驗)，以此來校驗資料傳送的正確性。
停止位：它是一個字符數(shù)據的結束標志。可以是1位、1.5位、2位的高電平。 由于數(shù)據是在傳輸線上定時的，并且每一個設備有其自己的時鐘，很可能在通信中兩臺設備間出現(xiàn)了小小的不同步。因此停止位不僅僅是表示傳輸?shù)慕Y束，并且提供計算機校正時鐘同步的機會。適用于停止位的位數(shù)越多，不同時鐘同步的容忍程度越大，但是數(shù)據傳輸率同時也越慢。
空閑位：處于邏輯“1”狀態(tài)，表示當前線路上沒有資料傳送。
波特率：是衡量資料傳送速率的指標。表示每秒鐘傳送的二進制位數(shù)。例如資料傳送速率為120字符/秒，而每一個字符為10位，則其傳送的波特率為10×120=1200位/秒=1200波特。
UART的作用
1． 發(fā)送/接收邏輯
發(fā)送邏輯對從發(fā)送FIFO 讀取的數(shù)據執(zhí)行“并→串”轉換?？刂七壿嬢敵銎鹗嘉辉谙鹊拇形涣鳎⑶腋鶕刂萍拇嫫髦幸丫幊痰呐渲?，后面緊跟著數(shù)據位（注意：最低位 LSB 先輸出）、奇偶校驗位和停止位。
在檢測到一個有效的起始脈沖后，接收邏輯對接收到的位流執(zhí)行“串→并”轉換。此外還會對溢出錯誤、奇偶校驗錯誤、幀錯誤和線中止（line-break）錯誤進行檢測，并將檢測到的狀態(tài)附加到被寫入接收FIFO 的數(shù)據中。
2．波特率的產生
波特率除數(shù)（baud-rate divisor）是一個22 位數(shù)，它由16 位整數(shù)和6 位小數(shù)組成。波特率發(fā)生器使用這兩個值組成的數(shù)字來決定位周期。通過帶有小數(shù)波特率的除法器，在足夠高的系統(tǒng)時鐘速率下，UART 可以產生所有標準的波特率，而誤差很小。
3． 數(shù)據收發(fā)
發(fā)送時，數(shù)據被寫入發(fā)送FIFO。如果UART 被使能，則會按照預先設置好的參數(shù)（波特率、數(shù)據位、停止位、校驗位等）開始發(fā)送數(shù)據，一直到發(fā)送FIFO 中沒有數(shù)據。一旦向發(fā)送FIFO 寫數(shù)據（如果FIFO 未空），UART 的忙標志位BUSY 就有效，并且在發(fā)送數(shù)據期間一直保持有效。BUSY 位僅在發(fā)送FIFO 為空，且已從移位寄存器發(fā)送最后一個字符，包括停止位時才變無效。即 UART 不再使能，它也可以指示忙狀態(tài)。BUSY 位的相關庫函數(shù)是UARTBusy( )
在UART 接收器空閑時，如果數(shù)據輸入變成“低電平”，即接收到了起始位，則接收計數(shù)器開始運行，并且數(shù)據在Baud16 的第8 個周期被采樣。如果Rx 在Baud16 的第8 周期仍然為低電平，則起始位有效，否則會被認為是錯誤的起始位并將其忽略。
如果起始位有效，則根據數(shù)據字符被編程的長度，在 Baud16 的每第 16 個周期對連續(xù)的數(shù)據位（即一個位周期之后）進行采樣。如果奇偶校驗模式使能，則還會檢測奇偶校驗位。
最后，如果Rx 為高電平，則有效的停止位被確認，否則發(fā)生幀錯誤。當接收到一個完整的字符時，將數(shù)據存放在接收FIFO 中。
4． 中斷控制
出現(xiàn)以下情況時，可使UART 產生中斷：
FIFO 溢出錯誤
線中止錯誤（line-break，即Rx 信號一直為0 的狀態(tài)，包括校驗位和停止位在內）
奇偶校驗錯誤
幀錯誤（停止位不為1）
接收超時（接收FIFO 已有數(shù)據但未滿，而后續(xù)數(shù)據長時間不來）
發(fā)送
接收
由于所有中斷事件在發(fā)送到中斷控制器之前會一起進行“或運算”操作，所以任意時刻 UART 只能向中斷產生一個中斷請求。通過查詢中斷狀態(tài)函數(shù)UARTIntStatus( )，軟件可以在同一個中斷服務函數(shù)里處理多個中斷事件（多個并列的if 語句）。
5． FIFO 操作 FIFO 是“First-In First-Out”的縮寫，意為“先進先出”，是一種常見的隊列操作。 Stellaris 系列ARM 的UART 模塊包含有2 個16 字節(jié)的FIFO：一個用于發(fā)送，另一個用于接收?？梢詫蓚€FIFO 分別配置為以不同深度觸發(fā)中斷?？晒┻x擇的配置包括：1/8、 1/4、1/2、3/4 和7/8 深度。例如，如果接收FIFO 選擇1/4，則在UART 接收到4 個數(shù)據時產生接收中斷。
發(fā)送FIFO的基本工作過程： 只要有數(shù)據填充到發(fā)送FIFO 里，就會立即啟動發(fā)送過程。由于發(fā)送本身是個相對緩慢的過程，因此在發(fā)送的同時其它需要發(fā)送的數(shù)據還可以繼續(xù)填充到發(fā)送 FIFO 里。當發(fā)送 FIFO 被填滿時就不能再繼續(xù)填充了，否則會造成數(shù)據丟失，此時只能等待。這個等待并不會很久，以9600 的波特率為例，等待出現(xiàn)一個空位的時間在1ms 上下。發(fā)送 FIFO 會按照填入數(shù)據的先后順序把數(shù)據一個個發(fā)送出去，直到發(fā)送 FIFO 全空時為止。已發(fā)送完畢的數(shù)據會被自動清除，在發(fā)送FIFO 里同時會多出一個空位。
接收FIFO的基本工作過程： 當硬件邏輯接收到數(shù)據時，就會往接收FIFO 里填充接收到的數(shù)據。程序應當及時取走這些數(shù)據，數(shù)據被取走也是在接收FIFO 里被自動刪除的過程，因此在接收 FIFO 里同時會多出一個空位。如果在接收 FIFO 里的數(shù)據未被及時取走而造成接收FIFO 已滿，則以后再接收到數(shù)據時因無空位可以填充而造成數(shù)據丟失。
收發(fā)FIFO 主要是為了解決UART 收發(fā)中斷過于頻繁而導致CPU 效率不高的問題而引入的。在進行 UART 通信時，中斷方式比輪詢方式要簡便且效率高。但是，如果沒有收發(fā) FIFO，則每收發(fā)一個數(shù)據都要中斷處理一次，效率仍然不夠高。如果有了收發(fā)FIFO，則可以在連續(xù)收發(fā)若干個數(shù)據（可多至14 個）后才產生一次中斷然后一并處理，這就大大提高了收發(fā)效率。
完全不必要擔心FIFO 機制可能帶來的數(shù)據丟失或得不到及時處理的問題，因為它已經幫你想到了收發(fā)過程中存在的任何問題，只要在初始化配置UART 后，就可以放心收發(fā)了， FIFO 和中斷例程會自動搞定一切。
6． 回環(huán)操作
UART 可以進入一個內部回環(huán)（Loopback）模式，用于診斷或調試。在回環(huán)模式下，從Tx 上發(fā)送的數(shù)據將被Rx 輸入端接收。
7． 串行紅外協(xié)議
在某些 Stellaris 系列 ARM 芯片里，UART 還包含一個 IrDA 串行紅外（SIR）編碼器/ 解碼器模塊。IrDA SIR 模塊的作用是在異步UART數(shù)據流和半雙工串行SIR 接口之間進行轉換。片上不會執(zhí)行任何模擬處理操作。SIR 模塊的任務就是要給UART 提供一個數(shù)字編碼輸出和一個解碼輸入。UART 信號管腳可以和一個紅外收發(fā)器連接以實現(xiàn)IrDA SIR物理層連接。
如圖所示，為UART 的IrDA SIR 模塊基本應用電路。D1 為紅外發(fā)射管，Q2 為紅外接收管。
UART的基本結構及端口介紹
⑴輸出緩沖寄存器，它接收CPU從數(shù)據總線上送來的并行數(shù)據，并加以保存。
⑵ 輸出移位寄存器，它接收從輸出緩沖器送來的并行數(shù)據，以發(fā)送時鐘的速率把數(shù)據逐位移出，即將并行數(shù)據轉換為串行數(shù)據輸出。
⑶ 輸入移位寄存器，它以接收時鐘的速率把出現(xiàn)在串行數(shù)據輸入線上的數(shù)據逐位移入，當數(shù)據裝滿后，并行送往輸入緩沖寄存器，即將串行數(shù)據轉換成并行數(shù)據。
⑷ 輸入緩沖寄存器，它從輸入移位寄存器中接收并行數(shù)據，然后由CPU取走。
⑸控制寄存器，它接收CPU送來的控制字，由控制字的內容，決定通信時的傳輸方式以及數(shù)據格式等。例如采用異步方式還是同步方式，數(shù)據字符的位數(shù)，有無奇偶校驗，是奇校驗還是偶校驗，停止位的位數(shù)等參數(shù)。
⑹狀態(tài)寄存器。狀態(tài)寄存器中存放著接口的各種狀態(tài)信息，例如輸出緩沖區(qū)是否空，輸入字符是否準備好等。在通信過程中，當符合某種狀態(tài)時，接口中的狀態(tài)檢測邏輯將狀態(tài)寄存器的相應位置“1”，以便讓CPU查詢。
UART設計思想：
數(shù)據發(fā)送的思想是，當啟動字節(jié)發(fā)送時，通過TxD先發(fā)起始位，然后發(fā)數(shù)據位和奇偶數(shù)效驗位，最后再發(fā)停止位，發(fā)送過程由發(fā)送狀態(tài)機控制，每次中斷只發(fā)送1個位，經過若干個定時中斷完成1個字節(jié)幀的發(fā)送。
數(shù)據接收的思想是，當不在字節(jié)幀接收過程時，每次定時中斷以3倍的波特率監(jiān)視RxD的狀態(tài)，當其連續(xù)3次采樣電平依次為1、0、0時，就認為檢測到了起始位，則開始啟動一次字節(jié)幀接收，字節(jié)幀接收過程由接收狀態(tài)機控制，每次中斷只接收1個位，經過若干個定時中斷完成1個字節(jié)幀的接收。
為了提高串口的性能，在發(fā)送和接收上都實現(xiàn)了FIFO功能，提高通信的實時性。FIFO的長度可以進行自由定義，適應用戶的不同需要。
波特率的計算按照計算公式進行，在設置最高波特率時一定要考慮模擬串口程序代碼的執(zhí)行時間，該定時時間必須大于模擬串口的程序的規(guī)定時間。單片機的執(zhí)行速度越快，則可以實現(xiàn)更高的串口通訊速度。
