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说说UART那些事儿

UART

UART简介

嵌入式开发中,UART串口通信协议是我们常用的通信协议(UART、I2C、SPI等)之一,全称叫做通用异步收发传输器(Universal Asynchronous Receiver/Transmitter),是异步串口通信协议的一种,工作原理是将传输数据的每个字符一位接一位地传输,它能将要传输的资料在串行通信与并行通信之间加以转换,能够灵活地与外部设备进行全双工数据交换。

UART通信协议

  1. 起始位
     当未有数据发送时,数据线处于逻辑“1”状态;先发出一个逻辑“0”信号,表示开始传输字符。

  2. 数据位
     紧接着起始位之后。资料位的个数可以是4、5、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。

  3. 奇偶校验位
     资料为加上这一位后,使得“1”的位数应为偶数(偶校验)或奇数(奇校验),以此来校验资料传送的正确性。

  4. 停止位
     它是一个字符数据的结束标志。可以是1位、1.5位、2位的高电平。 由于数据是在传输线上定时的,并且每一个设备有其自己的时钟,很可能在通信中两台设备间出现了小小的不同步。因此停止位不仅仅是表示传输的结束,并且提供计算机校正时钟同步的机会。适用于停止位的位数越多,不同时钟同步的容忍程度越大,但是数据传输率同时也越慢。

  5. 空闲位或起始位
     处于逻辑“1”状态,表示当前线路上没有资料传送,进入空闲状态。

 处于逻辑“0”状态,表示开始传送下一数据段。

  1. 波特率
     表示每秒钟传送的码元符号的个数,是衡量数据传送速率的指标,它用单位时间内载波调制状态改变的次数来表示。
    常用的波特率有:9600、115200……
    时间间隔计算:1秒除以波特率得出的时间,例如,波特率为9600的时间间隔为1s / 9600(波特率) = 104us。

UART功能说明

  接口通过三个引脚从外部连接到其它设备。任何 UART 双向通信均需要 至少两个引脚:接收数据输入引脚 (RX) 和发送数据引脚输出 (TX):
– RX:接收数据输入引脚就是串行数据输入引脚。过采样技术可区分有效输入数据和噪声,从而用于恢复数据。
– TX:发送数据输出引脚。如果关闭发送器,该输出引脚模式由其 I/O 端口配置决定。如果使 能了发送器但没有待发送的数据,则 TX 引脚处于高电平。在单线和智能卡模式下,该 I/O 用于发送和接收数据(USART 电平下,随后在 SW_RX 上接收数据)。

UART 工作原理

发送接收

  发送逻辑对从发送FIFO 读取的数据执行“并→串”转换。控制逻辑输出起始位在先的串行位流,并且根据控制寄存器中已编程的配置,后面紧跟着数据位(注意:最低位 LSB 先输出)、奇偶校验位和停止位。
  在检测到一个有效的起始脉冲后,接收逻辑对接收到的位流执行“串→并”转换。此外还会对溢出错误、奇偶校验错误、帧错误和线中止(line-break)错误进行检测,并将检测到的状态附加到被写入接收FIFO 的数据中。

波特率产生

  波特率除数(baud-rate divisor)是一个22 位数,它由16 位整数和6 位小数组成。波特率发生器使用这两个值组成的数字来决定位周期。通过带有小数波特率的除法器,在足够高的系统时钟速率下,UART 可以产生所有标准的波特率,而误差很小。

数据收发

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发送时,数据被写入发送FIFO。如果UART 被使能,则会按照预先设置好的参数(波特率、数据位、停止位、校验位等)开始发送数据,一直到发送FIFO 中没有数据。一旦向发送FIFO 写数据(如果FIFO 未空),UART 的忙标志位BUSY 就有效,并且在发送数据期间一直保持有效。BUSY 位仅在发送FIFO 为空,且已从移位寄存器发送最后一个字符,包括停止位时才变无效。即 UART 不再使能,它也可以指示忙状态。
 在UART 接收器空闲时,如果数据输入变成“低电平”,即接收到了起始位,则接收计数器开始运行,并且数据在Baud16 的第8 个周期被采样。如果Rx 在Baud16 的第8 周期仍然为低电平,则起始位有效,否则会被认为是错误的起始位并将其忽略。

  如果起始位有效,则根据数据字符被编程的长度,在 Baud16 的每第 16 个周期(即一个位周期之后)对连续的数据位进行采样。如果奇偶校验模式使能,则还会检测奇偶校验位。
  最后,如果Rx 为高电平,则有效的停止位被确认,否则发生帧错误。当接收到一个完整的字符时,将数据存放在接收FIFO 中。

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中断控制

出现以下情况时,可使UART 产生中断:

  • FIFO 溢出错误
  • 线中止错误(line-break,即Rx 信号一直为0 的状态,包括校验位和停止位在内)
  • 奇偶校验错误
  • 帧错误(停止位不为1)
  • 接收超时(接收FIFO 已有数据但未满,而后续数据长时间不来)
  • 发送
  • 接收

由于所有中断事件在发送到中断控制器之前会一起进行“或运算”操作,所以任意时刻 UART 只能向中断产生一个中断请求。通过查询中断状态函数,软件可以在同一个中断服务函数里处理多个中断事件(多个并列的if 语句)。

#### FIFO 操作

  FIFO 是“First-In First-Out”的缩写,意为“先进先出”,是一种常见的队列操作。 Stellaris 系列ARM 的UART 模块包含有2 个16 字节的FIFO:一个用于发送,另一个用于接收。可以将两个FIFO 分别配置为以不同深度触发中断。可供选择的配置包括:1/8、 1/4、1/2、3/4 和7/8 深度。例如,如果接收FIFO 选择1/4,则在UART 接收到4 个数据时产生接收中断。

  发送FIFO的基本工作过程: 只要有数据填充到发送FIFO 里,就会立即启动发送过程。由于发送本身是个相对缓慢的过程,因此在发送的同时其它需要发送的数据还可以继续填充到发送 FIFO 里。当发送 FIFO 被填满时就不能再继续填充了,否则会造成数据丢失,此时只能等待。这个等待并不会很久,以9600 的波特率为例,等待出现一个空位的时间在1ms 上下。发送 FIFO 会按照填入数据的先后顺序把数据一个个发送出去,直到发送 FIFO 全空时为止。已发送完毕的数据会被自动清除,在发送FIFO 里同时会多出一个空位。
  接收FIFO的基本工作过程: 当硬件逻辑接收到数据时,就会往接收FIFO 里填充接收到的数据。程序应当及时取走这些数据,数据被取走也是在接收FIFO 里被自动删除的过程,因此在接收 FIFO 里同时会多出一个空位。如果在接收 FIFO 里的数据未被及时取走而造成接收FIFO 已满,则以后再接收到数据时因无空位可以填充而造成数据丢失。
  收发FIFO 主要是为了解决UART 收发中断过于频繁而导致CPU 效率不高的问题而引入的。在进行 UART 通信时,中断方式比轮询方式要简便且效率高。但是,如果没有收发 FIFO,则每收发一个数据都要中断处理一次,效率仍然不够高。如果有了收发FIFO,则可以在连续收发若干个数据(可多至14 个)后才产生一次中断然后一并处理,这就大大提高了收发效率。
  完全不必要担心FIFO 机制可能带来的数据丢失或得不到及时处理的问题,因为它已经帮你想到了收发过程中存在的任何问题,只要在初始化配置UART 后,就可以放心收发了, FIFO 和中断例程会自动搞定一切。

回环操作

  UART 可以进入一个内部回环(Loopback)模式,用于诊断或调试。在回环模式下,从Tx 上发送的数据将被Rx 输入端接收。

Q&A

UART 流控支持

参考

  1. https://www.cnblogs.com/ChurF-Lin/p/10793111.html
  2. https://www.ti.com/lit/an/spna097/spna097.pdf?ts=1623153758283&ref_url=https%253A%252F%252Fwww.ti.com%252Fsitesearch%252Fdocs%252Funiversalsearch.tsp%253FlangPref%253Den-US%2526searchTerm%253Duart%2526nr%253D75349
  3. https://www.ti.com/lit/an/slaa083/slaa083.pdf?ts=1623153908742&ref_url=https%253A%252F%252Fwww.ti.com%252Fsitesearch%252Fdocs%252Funiversalsearch.tsp%253FlangPref%253Den-US%2526searchTerm%253Duart%2526nr%253D75349
  4. https://www.ti.com/lit/ug/sprugp1/sprugp1.pdf?ts=1623153941848&ref_url=https%253A%252F%252Fwww.ti.com%252Fsitesearch%252Fdocs%252Funiversalsearch.tsp%253FlangPref%253Den-US%2526searchTerm%253Duart%2526nr%253D75349
  5. https://www.ti.com/lit/ml/swrp215/swrp215.pdf?ts=1623153988409&ref_url=https%253A%252F%252Fwww.ti.com%252Fsitesearch%252Fdocs%252Funiversalsearch.tsp%253FlangPref%253Den-US%2526searchTerm%253Duart%2526nr%253D75349

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