通用异步收发器UART-学习笔记

《嵌入式linux应用程序开发完全手册》学习笔记...

觉得还是先了解相关的原理后在深入了解代码比较好哈...

UART原理:

通用异步收发器简称UART,它用来传输串行数据。发送数据时,CPU将并行数据写入UART,UART按照一定的格式在一根电线上串行发出;接收数据时,UART检测另一根电线上的信号,将串行数据放在缓冲区中,CPU即可通过UART获得这些数据。UART以全双工方式传输数据,最简单的连接方式只有三根线:TxD用于发送数据,RxD用于接收数据,Gnd用于给双方提供参考电平。


UART使用标准的TTL/CMOS逻辑电平来表示数据,高电平表示1,低电平表示0.为了增强数据的抗干扰能力,提高传输长度,通常将TTL/CMOS逻辑电平转换为RS-232逻辑电平,3~12v表示0,-3~-12V表示1.

TxD、RxD数据线以“位”为最小的数据传输单位。帧由具有完整意义的、不可分割的若干位组成,它包含开始位、数据位、校验位和停止位。发送数据之前UART之间需要约定好数据的传输速率(即每位所占据的时间,其倒数称为波特率)、数据的传输格式(即有多少个数据位、是否使用校验位、是奇校验还是偶校验、有多少个停止位)。

数据传输流程:

1)通常情况下数据线处于“空闲”状态(1状态)。

2)当要发送数据时,UART改变TxD数据线的状态(变为0状态)并维持一位的时间,这样接收方检测到开始位后,再等待1.5位的时间就开始一位一位检测数据线的状态得到所传输的数据。

3)UART一帧中可以有5、6、7或8位的数据,发送方一位一位的改变数据线的状态将它们发送出去,首先发送最低位。

4)如果使用校验功能,UART在发送完数据位后还要发送一个校验位。奇校验和偶校验--------数据位连同检验位中“1”的数据等于奇数或偶数。

5)最后发送停止位,数据线恢复到“空闲”状态(1状态)。停止位的长度有三种:1位,1.5位,2位。



上面介绍了数据在线路当中的传输过程,那么UART的特性是怎么样的呢?

S3C2440有三个独立的通道,每个通道都可以工作于中断模式或者DMA模式。UART由波特率发生器、发送器、接收器和控制器组成。


S3C2440 UART的每个通道都有64个字节的发送FIFO和64字节的接收FIFO。发送数据时,CPU先将数据写入发送FIFO中,然后UART会自动将FIFO的数据复制到“发送移位寄存器(Transmit Shifter)”中,发送移位寄存器将数据一位一位地发送到TxDn数据线上(根据设定的格式,插入开始位,校验位和停止位)。接收数据时,“接收移位器(Receive Shifter)”将RxDn数据线上的数据一位一位接收进来,然后复制到接收FIFO找那个,CPU即可从中读取数据。

S3C2440 UART的使用

在使用UART之前需要设置波特率、传输格式(数据位、校验位、停止位、是否使用流量控制);对于S3C2440还要选择所涉及管脚为UART功能、选择UART通道的工作模式为中断模式或DMA模式。设置好后往某个寄存器写入数据即可发送,读取某个寄存器即可接收数据。可以通过查询状态寄存器或设置中断来获知数据是否已经发送完毕、是否已经接收到数据。

下面来看具体的实现:

Makefile文件

objs := head.o init.o serial.o main.o

uart.bin: $(objs)
	arm-linux-ld -Tuart.lds -o uart_elf $^
	arm-linux-objcopy -O binary -S uart_elf $@
	arm-linux-objdump -D -m arm uart_elf > uart.dis
	
%.o:%.c
	arm-linux-gcc -Wall -O2 -c -o $@ $<

%.o:%.S
	arm-linux-gcc -Wall -O2 -c -o $@ $<

clean:
	rm -f uart.bin uart_elf uart.dis *.o		
	
主要有head.S,init.c,serial.c,main.c四个文件以及牵涉到的头文件。

head.S文件

@******************************************************************************
@ File:head.S
@ 功能:设置SDRAM,将程序复制到SDRAM,然后跳到SDRAM继续执行
@******************************************************************************       
   
.extern     main
.text 
.global _start 
_start:
Reset:                  
    ldr sp, =4096           @ 设置栈指针,以下都是C函数,调用前需要设好栈
    bl  disable_watch_dog   @ 关闭WATCHDOG,否则CPU会不断重启
    bl  clock_init          @ 设置MPLL,改变FCLK、HCLK、PCLK
    bl  memsetup            @ 设置存储控制器以使用SDRAM
    bl  copy_steppingstone_to_sdram     @ 复制代码到SDRAM中
    ldr pc, =on_sdram                   @ 跳到SDRAM中继续执行
on_sdram:
    ldr sp, =0x34000000     @ 设置栈指针
    ldr lr, =halt_loop      @ 设置返回地址
    ldr pc, =main           @ 调用main函数
halt_loop:
    b   halt_loop
代码已经注释的很清楚了。
init.c文件

/*
 * init.c: 进行一些初始化
 */ 

#include "s3c24xx.h"
 
void disable_watch_dog(void);
void clock_init(void);
void memsetup(void);
void copy_steppingstone_to_sdram(void);

/*
 * 关闭WATCHDOG,否则CPU会不断重启
 */
void disable_watch_dog(void)
{
    WTCON = 0;  // 关闭WATCHDOG很简单,往这个寄存器写0即可
}

#define S3C2410_MPLL_200MHZ     ((0x5c<<12)|(0x04<<4)|(0x00))
#define S3C2440_MPLL_200MHZ     ((0x5c<<12)|(0x01<<4)|(0x02))
/*
 * 对于MPLLCON寄存器,[19:12]为MDIV,[9:4]为PDIV,[1:0]为SDIV
 * 有如下计算公式:
 *  S3C2410: MPLL(FCLK) = (m * Fin)/(p * 2^s)
 *  S3C2410: MPLL(FCLK) = (2 * m * Fin)/(p * 2^s)
 *  其中: m = MDIV + 8, p = PDIV + 2, s = SDIV
 * 对于本开发板,Fin = 12MHz
 * 设置CLKDIVN,令分频比为:FCLK:HCLK:PCLK=1:2:4,
 * FCLK=200MHz,HCLK=100MHz,PCLK=50MHz
 */
void clock_init(void)
{
    // LOCKTIME = 0x00ffffff;   // 使用默认值即可
    CLKDIVN  = 0x03;            // FCLK:HCLK:PCLK=1:2:4, HDIVN=1,PDIVN=1

    /* 如果HDIVN非0,CPU的总线模式应该从“fast bus mode”变为“asynchronous bus mode” */
__asm__(
    "mrc    p15, 0, r1, c1, c0, 0\n"        /* 读出控制寄存器 */ 
    "orr    r1, r1, #0xc0000000\n"          /* 设置为“asynchronous bus mode” */
    "mcr    p15, 0, r1, c1, c0, 0\n"        /* 写入控制寄存器 */
    );

    /* 判断是S3C2410还是S3C2440 */
    if ((GSTATUS1 == 0x32410000) || (GSTATUS1 == 0x32410002))
    {
        MPLLCON = S3C2410_MPLL_200MHZ;  /* 现在,FCLK=200MHz,HCLK=100MHz,PCLK=50MHz */
    }
    else
    {
        MPLLCON = S3C2440_MPLL_200MHZ;  /* 现在,FCLK=200MHz,HCLK=100MHz,PCLK=50MHz */
    }       
}

/*
 * 设置存储控制器以使用SDRAM
 */
void memsetup(void)
{
    volatile unsigned long *p = (volatile unsigned long *)MEM_CTL_BASE;

    /* 这个函数之所以这样赋值,而不是像前面的实验(比如mmu实验)那样将配置值
     * 写在数组中,是因为要生成”位置无关的代码”,使得这个函数可以在被复制到
     * SDRAM之前就可以在steppingstone中运行
     */
    /* 存储控制器13个寄存器的值 */
    p[0] = 0x22011110;     //BWSCON
    p[1] = 0x00000700;     //BANKCON0
    p[2] = 0x00000700;     //BANKCON1
    p[3] = 0x00000700;     //BANKCON2
    p[4] = 0x00000700;     //BANKCON3  
    p[5] = 0x00000700;     //BANKCON4
    p[6] = 0x00000700;     //BANKCON5
    p[7] = 0x00018005;     //BANKCON6
    p[8] = 0x00018005;     //BANKCON7
    
                                            /* REFRESH,
                                             * HCLK=12MHz:  0x008C07A3,
                                             * HCLK=100MHz: 0x008C04F4
                                             */ 
    p[9]  = 0x008C04F4;
    p[10] = 0x000000B1;     //BANKSIZE
    p[11] = 0x00000030;     //MRSRB6
    p[12] = 0x00000030;     //MRSRB7
}

void copy_steppingstone_to_sdram(void)
{
    unsigned int *pdwSrc  = (unsigned int *)0;
    unsigned int *pdwDest = (unsigned int *)0x30000000;
    
    while (pdwSrc < (unsigned int *)4096)
    {
        *pdwDest = *pdwSrc;
        pdwDest++;
        pdwSrc++;
    }
}
在这里面主要对看门狗、时钟频率、存储控制器进行了初始化。

接下来是serial.c文件,其中涉及到宏定义以及一些寄存器的设置,我们分段来分析。

宏定义部分:

#include "s3c24xx.h"
#include "serial.h"

#define TXD0READY   (1<<2)
#define RXD0READY   (1)

#define PCLK            50000000    // init.c中的clock_init函数设置PCLK为50MHz
#define UART_CLK        PCLK        //  UART0的时钟源设为PCLK
#define UART_BAUD_RATE  115200      // 波特率
#define UART_BRD        ((UART_CLK  / (UART_BAUD_RATE * 16)) - 1)
UART初始化部分:

/*
 * 初始化UART0
 * 115200,8N1,无流控
 */
void uart0_init(void)
{
    GPHCON  |= 0xa0;    // GPH2,GPH3用作TXD0,RXD0
    GPHUP   = 0x0c;     // GPH2,GPH3内部上拉

    ULCON0  = 0x03;     // 8N1(8个数据位,无较验,1个停止位)
    UCON0   = 0x05;     // 查询方式,UART时钟源为PCLK
    UFCON0  = 0x00;     // 不使用FIFO
    UMCON0  = 0x00;     // 不使用流控
    UBRDIV0 = UART_BRD; // 波特率为115200
}
关于数据发送格式的设置是通过ULCON0寄存器来完成的。


从上图中不难看出其使用方法。下面是查询方式的设置:



UCON0共有16位,这里我们只看用到的后四位;0x05为0000 0101,根据上图,将接收和发送都设为查询方式,UART的时钟源设为PCLK。

FIFO、流控以及波特率的设置:


UFCON0 = 0X00;


UMCON0 = 0X00;


#define UART_BAUD_RATE  115200      // 波特率
#define UART_BRD        ((UART_CLK  / (UART_BAUD_RATE * 16)) - 1)

由上面的两行即可计算出UBRDIV的值。

初始化完成,发送字符的函数:

/*
 * 发送一个字符
 */
void putc(unsigned char c)
{
    /* 等待,直到发送缓冲区中的数据已经全部发送出去 */
    while (!(UTRSTAT0 & TXD0READY));
    
    /* 向UTXH0寄存器中写入数据,UART即自动将它发送出去 */
    UTXH0 = c;
}
在此处定义了#define TXD0READY   (1<<2),根据

可知为判断发送缓冲区数据是否为空。

接收字符函数:

/*
 * 接收字符
 */
unsigned char getc(void)
{
    /* 等待,直到接收缓冲区中的有数据 */
    while (!(UTRSTAT0 & RXD0READY));
    
    /* 直接读取URXH0寄存器,即可获得接收到的数据 */
    return URXH0;
}

由#define RXD0READY   (1)再根据上面的UTRSTAT0寄存器即可知道该句判断是否有新数据。

串口接收数据寄存器URXH0:


数字及英文字符判断:

/*
 * 判断一个字符是否数字
 */
int isDigit(unsigned char c)
{
    if (c >= '0' && c <= '9')
        return 1;
    else
        return 0;       
}

/*
 * 判断一个字符是否英文字母
 */
int isLetter(unsigned char c)
{
    if (c >= 'a' && c <= 'z')
        return 1;
    else if (c >= 'A' && c <= 'Z')
        return 1;       
    else
        return 0;
}
主函数:

#include "serial.h"

int main()
{
    unsigned char c;
    uart0_init();   // 波特率115200,8N1(8个数据位,无校验位,1个停止位)

    while(1)
    {
        // 从串口接收数据后,判断其是否数字或子母,若是则加1后输出
        c = getc();
        if (isDigit(c) || isLetter(c))
            putc(c+1);
    }

    return 0;
}
涉及到的头文件:

void uart0_init(void);
void putc(unsigned char c);
unsigned char getc(void);
int isDigit(unsigned char c);
int isLetter(unsigned char c);
至此通用异步收发器UART告一段落,在此只是简单概述一下UART的简单使用。

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