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UART、串口


Uart 模型和协议 UART 是用于控制计算机与串行设备的芯片。有一点要 注意的是,它提供了 RS-232C 数据终端设备接口,这样计算 机就可以和调制解调器或其它使用 RS-232C 接口的串行设 备通信了。作为接口的一部分,UART 还提供以下功能: 将由计算机内部传送过来的并行数据转换为输出的串行数 据流。将计算机外部来的串行数据转换为字节,供计算机内 部使用并行数据的器

件使用。在输出的串行数据流中加入奇 偶校验位,并对从外部接收的数据流进行奇偶校验。在输出 数据流中加入启停标记,并从接收数据流中删除启停标记。 处理由键盘或鼠标发出的中断信号(键盘和鼠票也是串行设 备)。可以处理计算机与外部串行设备的同步管理问题。有 一些比较高档的 UART 还提供输入输出数据的缓冲区, 现在 比较新的 UART 是 16550,它可以在计算机需要处理数据前 在其缓冲区内存储 16 字节数据,而通常的 UART 是 8250。 现在如果您购买一个内置的调制解调器,此调制解调器内部 通常就会有 16550 UART。 1.UART 协议的工作特点 1.1 数据采样 UART 协议是实现设备之间低速数据通信的标准协议。 因 发送时不需同时发送时钟,故此协议为异步。UART 链接典

型为 38400,9600 波特 。 如图 1,UART 字符格式为 1 个起始位,5~8 个数据位,1 个 地址位或奇偶位(可选),1 个停止位。 由于接收器、 发送器异步工作, 无需联接接收和发送时钟。 接收器采取对输入数据流高度采样方式,通常采样为 16,并 根据采样值确定位值。按惯例,使用 16 个采样值的中间三 个值。 1.2 UART 帧区分 UART 一参数 MAX-IDL,用来设置空闲字符的多少。一 旦一字符在线上被接收,UART 控制器开始计数接收到的空 闲字符。若下一数据字符接收前,一 MAX-IDL 多个空闲字 符被接收,则产生空闲时间,缓冲区被关闭。顺次对 CPU32 +核心发出一中断请求,要求从缓冲区接收数据。因此,MA X-IDL 给 UART 模式提供一区分帧的便利方法。 空闲字符按以下公式计算其位数: 1(起始)+数据长度(5, 6, 7,8)+1(若奇偶校验被使用)+停止位(1)。例如,1 个(起始), 8 位数据,无校验,1 个停止位,则空闲字符 MAX-IDL 为 1 0 位。 1.3 UART 地址识别 多站系统中,网络上可能会有两个以上的站,每个站有一 特定的地址。图 2 为此种结构的两个示例。由许多字符构成 的帧可被广播,其第一字符做为目的地址。为实现此功能,

UART 帧被扩展一位,以区别地址字符和正常数据字符。 UART 可被设置为操作于一多站环境,此环境下,支持以 下两种模式: 自动多站模式 当地址于两个预置值之一相匹配时,UART 控制器自动检查到来地址字符,接收随后的数据。 非自动多站模式 UART 控制器接收所有数据。一地址字 符总被写入一新缓冲区。 综上所述, UART 协议采取一种通过数据采样来确定位值 的机理,具有简单准确的定帧模式,而且广泛用于多站系统 中,具有自动多站和非自动多站两种模式,来区分地址和数 据。 2.几种重要寄存器 几种重要寄存器 几种 在嵌入式开发中,对寄存器的理解和正确配置至关重要。 对 MPC860 的 UART 协议,有几个重要寄存器,它们是:管 足配置寄存器、波特率配置寄存器、通信处理命令寄存器、 SCC 通用模式寄存器、发送和接收缓冲区描述器、UART 的 特定参数、 SCC 协议专用模式寄存器、 SCC 协议事件寄存器、 UART 屏蔽寄存器。 管足配置寄存器一般是针对收、发两根管足,有开漏寄存 器、数据寄存器、数据方向寄存器,它们可被设置为具有串 行信道输出的能力和被设置为输入输出口。波特率配置寄存 器负责把波特率指向所用的串口和配置波特率大小。通信处

理命令寄存器主要用于判断命令的发出是否和阻止传送。 SC C 通用模式寄存器主要用于协议的选择和传输格式的配置。 发送和接收缓冲区描述器主要用于收发数据和判断接收的 是地址还是数据,数据的错误情况等。UART 的特定参数用 来部分初始化 UART。SCC 协议专用模式寄存器主要用于设 置 UART 处于自动多站和非自动多站模式。 事件寄存器主要 用于判断是收中断还是发中断。屏蔽寄存器主要用于收、发 使能。 因此,对 UART 协议来说,上面几种寄存器是很重要的, 它们主要完成波特率配置,协议的选择,收发判断处理等。 UART & RS232 & COM UART 是通用异步收发器 (异步串行通信口) 的英文缩写, 它包括了 RS232、RS499、RS423、RS422 和 RS485 等接口 标准规范和总线标准规范, UART 是异步串行通信口的总 即 称。 而 RS232、RS499、RS423、RS422 和 RS485 等,是对应 各种异步串行通信口的接口标准和总线标准,它规定了通信 口的电气特性、传输速率、连接特性和接口的机械特性等内 容。实际上是属于通信网络中的物理层(最底层)的概念, 与通信协议没有直接关系。而通信协议,是属于通信网络中 的数据链路层(上一层)的概念。 COM 口是 PC (个人计算机) 异步串行通信口的简写。 上,

由于历史原因,IBM 的 PC 外部接口配置为 RS232,成为实 际上的 PC 界默认标准。所以,现在 PC 机的 COM 口均为 R S232。

UART(Universal Asynchronous Receiver/Transmitter) 即通用异步收发传输器 通用异步收发传输器,工作于数据链路层。包含了 RS-2 通用异步收发传输器 32、RS-422、RS-485 串口通信和红外(IrDA) 等等。UAR T 协议作为一种低速通信协议,广泛应用于通信领域等各种 场合。UART 基本可分为并口通信及串口通信两种。

异步串口通信协议作为 UART 的一种,工作原理是将 异步串口通信协议 传输数据的每个字符一位接一位地传输。图一给出了其工作 模式:

图 一 其中各位的意义如下: 起始位:先发出一个逻辑”0”的信号,表示传输字符的开 起始位 始。 资料位:紧接着起始位之后。资料位的个数可以是 4、5、 资料位

6、7、8 等,构成一个字符。通常采用 ASCII 码。从最低位 开始传送,靠时钟定位。 奇偶校验位:资料位加上这一位后,使得“1”的位数应为 奇偶校验位 偶数(偶校验)或奇数(奇校验),以此来校验资料传送的正确 性。 停止位:它是一个字符数据的结束标志。可以是 1 位、1. 停止位 5 位、2 位的高电平。 空闲位:处于逻辑“1”状态,表示当前线路上没有资料传 空闲位 送。 波特率:是衡量资料传送速率的指针。表示每秒钟传送的 波特率 二进制位数。例如资料传送速率为 120 字符/秒,而每一个字 符为 10 位,则其传送的波特率为 10×120=1200 字符/秒=1 200 波特。 在嵌入式系统或者计算机中,并非直接对串口直接进 行, 而是通过 SCI (串行通讯接口) 模块对其进行控制。 (注: “SCI”首先由 Motorola 微串口微控制器而得名,SCI 另一种 说法是“UART 控制器”)常用的许多芯片中都包含了 SCI , 例如 ARM 的 S3C2410X 芯片内嵌了 3 个串行接口控制器, 而 Nios 等软核芯片则可以用选用 UART(RS232) 的 IP 对 U ART 进行控制。 机则常用 16650 UART,16750 UART 等 PC 控制串口。

如果实现一个软件 UART 时, UART 检查端口管脚的串行 在 活动时,需要占用大量时间,让应用程序停滞,这会使得软 件 UART 没有意义。好在情况并非如此,我们来看看标准的 10 位异步串行协议(包含一个起始位,一个停止位和 8 个数 据位)收发一个字符时的情况(如图 1 所示)。

图 1:标准的 10 位异步串行协议收发字符时的时序图。
在启动一次发送或接收操作之后, 串行 UART(不论是软件还 是硬件形式的 UART)并不需要连续监控 I/O 线。在发送一个 字符时,每个位周期,UART 只需驱动一次发送信号线的状 态,从起始位到 8 个数据位直到结束位依次设置每个位的电

平。在接收一个字符时,UART 在第一个下降沿开始工作, 之后只需在每个位时隙的中央对接收线上的信号状态进行 一次采样。 我们可以用一对状态机来表征软件 UART 的行为, 一个状态 机用于发送字符,另一个用于接收字符。对一个全双工的 U ART 而言,这两个状态机是并行运行的,需要两个独立的定 时器中断。这两个状态机都有主动和被动两种模式。发送状 态机在收到一个需发送的字符时跳出空闲状态,在结束位发 送之后回到空闲状态。接收状态机在检测到接收线上的一个 下降沿时跳出空闲状态。在检测到这个初始的低电平状态之 后(该状态指示起始位已经开始),开始对位时隙进行递减计 数,同时按要求采样信号线上的每个信号位,包括停止位。 为了避免不必要地占用主应用过多的时间,UART 状态机应 该由一些周期性的基于定时器的中断来激活。接收线上初始 下降沿的检测需要利用一个边沿触发的外部中断单独处理。 如果一个状态机的定时器被设置为每个比特周期发出一个 中断请求,那么该状态机在每次中断被触发时能够执行任何 需要的操作(而且如果需要,还能进入到下一个状态)。用于 实现状态机的代码应尽可能优化, 因为只要软件 UART 处于 活动状态,这些代码就会在后台连续运行。


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