UART串口

　　通用異步接收器和發(fā)送器（Universal Asynchronous Receiver and Transmitter） 簡稱UART。通常是嵌入式設(shè)備中默認(rèn)都會配置的通信接口。這是因?yàn)椋芏嗲度胧皆O(shè)備沒有顯示屏，無法獲得嵌入式設(shè)備實(shí)時數(shù)據(jù)信息，通過UART串口和超級終端相連，打印嵌入式設(shè)備輸出信息。并且在對嵌入式系統(tǒng)進(jìn)行跟蹤和調(diào)試時，UART串口了是必要的通信手段。比如：網(wǎng)絡(luò)路由器，交換機(jī)等都要通過串口來進(jìn)行配置。UART串口還是許多硬件數(shù)據(jù)輸出的主要接口，如GPS接收器就是通過UART串口輸出GPS接收數(shù)據(jù)的。

　　UART功能

　　計(jì)算機(jī)內(nèi)部采用并行數(shù)據(jù)，不能直接把數(shù)據(jù)發(fā)到Modem，必須經(jīng)過UART整理才能進(jìn)行異步傳輸，其過程為：CPU先把準(zhǔn)備寫入串行設(shè)備的數(shù)據(jù)放到UART的寄存器（臨時內(nèi)存塊）中，再通過FIFO（First Input First Output，先入先出隊(duì)列）傳送到串行設(shè)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(jì)算機(jī)與串行設(shè)備的芯片。有一點(diǎn)要注意的是，它提供了RS-232C數(shù)據(jù)終端設(shè)備接口，這樣計(jì)算機(jī)就可以和調(diào)制解調(diào)器或其它使用RS-232C接口的串行設(shè)備通信了。作為接口的一部分，UART還提供以下功能：將由計(jì)算機(jī)內(nèi)部傳送過來的并行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為輸出的串行數(shù)據(jù)流。將計(jì)算機(jī)外部來的串行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為字節(jié)，供計(jì)算機(jī)內(nèi)部并行數(shù)據(jù)的器件使用。在輸出的串行數(shù)據(jù)流中加入奇偶校驗(yàn)位，并對從外部接收的數(shù)據(jù)流進(jìn)行奇偶校驗(yàn)。在輸出數(shù)據(jù)流中加入啟停標(biāo)記，并從接收數(shù)據(jù)流中刪除啟停標(biāo)記。處理由鍵盤或鼠標(biāo)發(fā)出的中斷信號（鍵盤和鼠標(biāo)也是串行設(shè)備）。可以處理計(jì)算機(jī)與外部串行設(shè)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(jù)的緩沖區(qū)，比較新的UART是16550，它可以在計(jì)算機(jī)需要處理數(shù)據(jù)前在其緩沖區(qū)內(nèi)存儲16字節(jié)數(shù)據(jù)，而通常的UART是8250。如果您購買一個內(nèi)置的調(diào)制解調(diào)器，此調(diào)制解調(diào)器內(nèi)部通常就會有16550 UART。

　　UART基本結(jié)構(gòu)

　　⑴輸出緩沖寄存器，它接收CPU從數(shù)據(jù)總線上送來的并行數(shù)據(jù)，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(jù)，以發(fā)送時鐘的速率把數(shù)據(jù)逐位移出，即將并行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為串行數(shù)據(jù)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(jù)輸入線上的數(shù)據(jù)逐位移入，當(dāng)數(shù)據(jù)裝滿后，并行送往輸入緩沖寄存器，即將串行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成并行數(shù)據(jù)。

　　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(jù)，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(nèi)容，決定通信時的傳輸方式以及數(shù)據(jù)格式等。例如采用異步方式還是同步方式，數(shù)據(jù)字符的位數(shù)，有無奇偶校驗(yàn)，是奇校驗(yàn)還是偶校驗(yàn)，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(zhǔn)備好等。在通信過程中，當(dāng)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(yīng)位置“1”，以便讓CPU查詢。

　　異步通信和同步通信

　　圖2-56同步信號與異步信號

　　同步通信技術(shù)

　　在發(fā)送數(shù)據(jù)信號的時候，會同時送出一根同步時鐘信號， 用來同步發(fā)送方和接收方的數(shù)據(jù)采樣頻率。如圖2-56所示，同步通信時，信號線1是一根同步時鐘信號線，以固定的頻率進(jìn)行電平的切換，其頻率周期為t，在每個電平的上升沿之后進(jìn)行對同步送出的數(shù)據(jù)信號線2進(jìn)行采樣（高電平代表1，低電平代表0），根據(jù)采樣數(shù)據(jù)電平高低取得輸出數(shù)據(jù)信息。如果雙方?jīng)]有同步時鐘的話，那么接收方就不知道采樣周期，也就不能正常的取得數(shù)據(jù)信息。

　　異步通信技術(shù)

　　在異步通信技術(shù)中，數(shù)據(jù)發(fā)送方和數(shù)據(jù)接收方?jīng)]有同步時鐘，只有數(shù)據(jù)信號線，只不過發(fā)送端和接收端會按照協(xié)商好的協(xié)議（固定頻率）來進(jìn)行數(shù)據(jù)采樣。數(shù)據(jù)發(fā)送方以每秒鐘57600bits的速度發(fā)送數(shù)據(jù)，接收方也以57600bits的速度去接收數(shù)據(jù)，這樣就可以保證數(shù)據(jù)的有效和正確。通常異步通信中使用波特率（Baud-Rate）來規(guī)定雙方傳輸速度，其單位為bps（bits per second每秒傳輸位數(shù)）。

　　數(shù)據(jù)的串行和并行通信方式

　　串行通信好比是一列縱隊(duì)，每個數(shù)據(jù)元素依次縱向排列。如圖2-57所示，傳輸時一個比特一個比特的串行傳輸，每個時鐘周期傳輸一個比特，這種傳輸方式相對比較簡單，速度較慢，但是使用總線數(shù)較少，通常一根接收線，一根發(fā)送線即可實(shí)現(xiàn)串行通信。它的缺點(diǎn)是要增加額外的數(shù)據(jù)來控制一個數(shù)據(jù)幀的開始和結(jié)束。

　　并行通信好比一排橫隊(duì)，齊頭并進(jìn)同時傳輸。這種通信方式每個時鐘周期傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量和其總線寬度成正比，但是實(shí)現(xiàn)較為復(fù)雜。UART通信采用的是串行方式進(jìn)行通信的。

　　圖2-57串行數(shù)據(jù)通信與并行數(shù)據(jù)通信

　　數(shù)據(jù)通信傳輸模式

　　在數(shù)據(jù)通信過程中，發(fā)送方和接收方為了實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的正確發(fā)送和接收，通常會有一個狀態(tài)寄存器來描述當(dāng)前數(shù)據(jù)接收和發(fā)送狀態(tài)，當(dāng)發(fā)送方有數(shù)據(jù)發(fā)送時，會查看發(fā)送狀態(tài)寄存器，看是否允許發(fā)送數(shù)據(jù)（如果上一次數(shù)據(jù)還沒有發(fā)送完畢，不允許繼續(xù)數(shù)據(jù)發(fā)送），在發(fā)送允許情況下再送出新數(shù)據(jù)。同樣，接收端通過查看接收狀態(tài)寄存器，確定是否有新數(shù)據(jù)到達(dá)，如果有數(shù)據(jù)到達(dá)，將去接收數(shù)據(jù)緩沖區(qū)讀取數(shù)據(jù)。

　　（1）輪詢模式

　　通過程序執(zhí)行流，不停的檢測狀態(tài)寄存器的結(jié)果，如果當(dāng)前可發(fā)送或接收，則發(fā)送或接收數(shù)據(jù)。其過程可以用下面?zhèn)未a來表示。

　　; 輪詢方式實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)發(fā)送偽代碼

　　Send（）{

　　While（1）{

　　if（發(fā)送狀態(tài) == 可發(fā)送）

　　執(zhí)行數(shù)據(jù)發(fā)送操作;

　　}

　　}

　　; 輪詢方式實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)接收偽代碼

　　Receive（）{

　　While（1）{

　　if（接收狀態(tài) == 有數(shù)據(jù)到達(dá)）

　　執(zhí)行數(shù)據(jù)接收操作;

　　}

　　}

　　由程序可知，這種方式實(shí)現(xiàn)簡單，但在進(jìn)行數(shù)據(jù)接收和發(fā)送時都要進(jìn)入循環(huán)檢查狀態(tài)寄存器的值，當(dāng)沒有數(shù)據(jù)到達(dá)或數(shù)據(jù)不可發(fā)送時，CPU會一直空轉(zhuǎn)，其它程序又得不到CPU的執(zhí)行權(quán)，很影響系統(tǒng)的效率。

　　（2）中斷模式

　　中斷方式是指，當(dāng)數(shù)據(jù)到達(dá)或數(shù)據(jù)可發(fā)送時，產(chǎn)生中斷，通知CPU去發(fā)送或接收數(shù)據(jù)，這種方式將通信硬件和CPU獨(dú)立出來，通信硬件只有在發(fā)送或接收條件準(zhǔn)備好之后中，才通知CPU去處理數(shù)據(jù)，在通信條件沒有準(zhǔn)備好的時候，CPU去處理其它程序，顯然這種方式更合理，這種方式要求通信硬件要求比較高，需要支持產(chǎn)生中斷信號。

　　（3）DMA模式

　　通常實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)移或拷貝時，CPU將從源地址處復(fù)制數(shù)據(jù)到寄存器，然后將寄存器數(shù)據(jù)再寫入目的地址處，該復(fù)制過程需要CPU來執(zhí)行。S3C2440支持DMA傳輸模式，DMA傳輸是指在CPU不干涉的情況下，DMA硬件自動實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)移和復(fù)制，在DMA傳輸過程中，CPU幾乎不用干涉，這樣可以讓CPU安心的去做自己的事情。雖然如此，但是DMA在傳輸數(shù)據(jù)過程中要占用總線，在大批數(shù)據(jù)傳輸時，系統(tǒng)總線會被DMA通道占用，也會影響系統(tǒng)的效率。S3C2440 UART控制器支持DMA方式傳輸串口通信數(shù)據(jù)。

　　S3C2440 UART控制器

　　S3C2440 UART控制器，提供了三個獨(dú)立的異步串行I/O端口，每個端口都可以在中斷模式或DMA模式下工作，換而言之，UART可以生成中斷或DMA請求用于CPU和UART之間的數(shù)據(jù)傳輸。UART串口掛接在APB總線上，APB總線最高可以達(dá)到50MHz工作頻率，在使用APB時鐘頻率時可以達(dá)到最高115.2Kbps波特率的通信速度。如果UART串口接收外部設(shè)備提供UEXTCLK（外部時鐘），UART可以在更高的速度下工作。每個UART串口在接收裝置和發(fā)送裝置里分別包含一個64Byte的FIFO緩沖區(qū)，用于緩存發(fā)送數(shù)據(jù)和接收數(shù)據(jù)。

　　由于UART是串行異步通信方式，因此在UART通信過程中每次只能傳輸1位（bit），若干位組成一個數(shù)據(jù)幀（frame），幀是UART通信中最基本單元，它主要包含：開始位，數(shù)據(jù)位，校驗(yàn)位（如果開啟了數(shù)據(jù)校驗(yàn)，要包含校驗(yàn)位），和停止位，幀結(jié)構(gòu)如圖2-58所示。

　　圖2-58 UART數(shù)據(jù)幀結(jié)構(gòu)

　　UART在通信之前要在發(fā)送端和接收端約定好幀結(jié)構(gòu)，也就是約定好傳輸數(shù)據(jù)幀格式。

　　開始位：必須包含在數(shù)據(jù)幀中，表示一個幀的開始。

　　數(shù)據(jù)位：可選5，6，7，8位，該位長度可由編程人員指定。

　　校驗(yàn)位：如果在開啟了數(shù)據(jù)校驗(yàn)時，該位必須指定。

　　停止位：可選1，2位，該位長度可由編程人員指定。

　　通信雙方約定好幀格式后，指定同一波特率，以保證雙方數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐健?/p>

　　S3C2440 UART串口工作原理

　　每個UART包含一個波特率產(chǎn)生器，發(fā)送器，接收器和一個控制單元，如下圖所示：

　　圖2-59 UART硬件結(jié)構(gòu)

　　UART是以異步方式實(shí)現(xiàn)通信的，其采樣速度由波特率決定，波特率產(chǎn)生器的工作頻率可以由PCLK（外圍設(shè)備頻率），F(xiàn)CLK/n（CPU工作頻率的分頻），UEXTCLK（外部輸入時鐘）三個時鐘作為輸入頻率，波特率設(shè)置寄存器是可編程的，用戶可以設(shè)置其波特率決定發(fā)送和接收的頻率。發(fā)送器和接收器包含了64Byte的FIFO和數(shù)據(jù)移位器。UART通信是面向字節(jié)流的，待發(fā)送數(shù)據(jù)寫到FIFO之后，被拷貝到數(shù)據(jù)移位器（1字節(jié)大小）里，數(shù)據(jù)通過發(fā)送數(shù)據(jù)管腳TXDn發(fā)出。同樣道理，接收數(shù)據(jù)通過RXDn管腳來接收數(shù)據(jù)（1字節(jié)大小）到接收移位器，然后將其拷貝到FIFO接收緩沖區(qū)里。