ARM芯片（S5PV210芯片）——串口通信详解

1、电子通信的基本概念

1.1、同步通信和异步通信

1.同步通信：通信双方有统一的工作节拍，一般需要发送方给接收方发送信息的同时发送时钟信号，接收方根据发送方给它的时钟信号来安排自己的工作节奏。同步通信用在通信双方信息交换频率固定，或者通信频率比较高的场景。
2.异步通信：又叫异步通知，简单来说就是发送方不必考虑接收方，想发信息就发信息，没有固定的工作节拍。但是需要遵循一定的通信协议，比如发送方发送信息时，需要先发起始位通知接收方，然后发送数据，数据发送完成要发结束位表示一帧数据发送完成。
区别：
(1)同步通信有统一工作节拍，异步通信没有统一工作节拍。一般来说，同步通信的连接线里有一根是时钟信号线。
(2)同步通信适合通信频率固定或者通信频率较高的场景；异步通信适合通信频率不固定或者通信频率较低的场景。

1.2、电平信号和差分信号

1.电平信号：电平信号有一根是参考电平线，信号线的信号值有信号线和参考电平线之间的电压差决定；
2.差分信号：差分信号没有参考电平线，传输一路数据需要两根信号线，信号线的信号值由两根信号线的电压差决定。
区别：
(1)信号值的表示不同：电平信号的信号值是信号线和参考电平线的电压差决定；差分信号的信息值是由两条信号线的电压差决定；
(2)传输相同路数的信号，电平信号用的数据线根数比差分信号少。比如传输3路信号，电平信号需要1根参考电平+3根数据线；而差分信号需要2x3=6根数据线；
(3)现在通信大部分是差分信号，因为差分信号的抗干扰性更强，可以在更短的周期传输一个数据。

1.3、并行接口和串行接口

并行接口：一次可以发送过个bit位数据。
串行接口：一次只能发送一个bit位数据。
区别:
(1)并行接口和串行接口一次发送的bit位不相同，串行一次只能发一个bit数据，并行接口可以一次发多位bit数据；
(2)并行接口的抗干扰性比串行接口差，虽然并行接口一次发送的数据位比串行接口多，但是因为抗干扰性差的原因，并行接口的发送频率不能很高，串行接口的通信速率是可能比并行接口更快的；
(3)串行接口比并行接口更省信号线；

1.4、单工通信、双工通信、半双共通信

单工通信：只能单向发送消息，只能A向B发消息，B不能向A发消息；
双工通信：A和B可以互相发消息，并且互不排斥，可以同时给对方发消息；
半双工通信：A和B可以互相发消息，但是同一时间只能一方发消息，另一方收消息，算是单工通信和双工通信的结合体；

2、串口通信介绍

2.1、串口通信的特点

串口通信：异步、电平信号、串行、双工。
异步：串口的接收方和发送方没有统一的时钟信号；
电平信号：串口通信出现比较早，传输的距离比较近，所有用的电平信号。后期出现的通信协议，都改成了差分信号；
串行：每次只能传输一个二进制位；
双工：通信双方可以同时接收和发送信号。

2.2、波特率

指的就是串口的通信速率，也就是串口每秒能传输多少个二进制位。比如常用的波特率115200，也就是指串口每秒发送115200个二进制位。接收和发送必须使用相同的波特率，不然会通信紊乱，导致不能正常收发数据。

2.3、起始位、数据位、奇偶校验位、停止位

(1)起始位：接收方收到该数据位就表示发送方马上要发送数据了；
(2)数据位：本次传输周期里要传输的有效数据，可配置；
(3)奇偶校验位：防止数据出错的，可配置；
(4)停止位：表示本次传输周期结束，可配置；
总结：串口通信时，是以周期为单位进行收发数据的，既然是周期性的收发数据，那就要规定好周期的开启和结束，也就是要提前商量好通信协议，上面的位定义就是通信
协议，在建立串口通信时要收发双方配置一致；

2.4、通信线：Rx、Tx、GND

(1)Rx、Tx、GND是串口的通信线，Rx是接收数据的信号线，Tx是发送数据的信号线，GND是参考电平线，串口是全双工通信；
(2)通信线的解法：发送方Rx–接收方Tx、发送方Tx–接收方Rx、发送方GND–接收方GND。

2.5、DB9接口、USB转串口、4脚接口

(1)DB9接口：串口通信早期比较常用的规范化接口，有9根线，其中就包括Rx、Tx、GND，其余的6根线和流控有关。现在的串口通信一般都没有
用流控，所以这6根线基本没用，现在笔记本电脑上已经没有DB9接口；
(2)4脚接口：现在的嵌入式设备上大多也没有DB9接口，但是会引出来一个4脚的串口来输出信息，方便调试。4脚串口就是在原来Rx、Tx、GND的基础上，多了一根电源正极线。4脚的串口通常会会通过一个电路板来转成DB9接口来对外通信；
(3)USB转串口：现在的电脑可能没有DB9接口，所以要使用USB转串口线来连接开发板；

2.6、自动流控（AFC：Auto flow control）

自动流控和串口安全通信有关的，因为串口在早期是作为设备间数据交互的通路，必须确保通信数据的正确性。但是在现在串口大多作为打印信息输出，并且通信速度也不快，就取消了自动流控。自动流控的细节就不讲了，反正现在也用不上，在建立串口通信时记得把自动流控取消掉，就是不要勾选RTS/CTS。

3、串口工作原理框图

(1)时钟总线：串口属于低速外设，挂载在PCLK_PSYS(Peripheral BUS)时钟线上；
(2)组成：控制单元(control unit)、波特率发生器(Buad-rate Generator)、发送缓冲寄存器(Transmit Buffer Register)、发送移位器(Transmit Shifter)、
接收缓冲寄存器(Receive Buffer Register)、接收移位器(Receive Register)；
(3)控制单元:控制整个串口的通信过程，什么时候发数据，什么时候收数据；
(4)波特率发生器：产生串口通信需要的波特率,和时钟频率有关，需要配置；
(5)发送缓冲寄存器：把要发送的数据写到发送缓冲寄存器；
(6)发送移位器：把发送缓冲寄存器里的数据一位一位的发送到数据线上，这是硬件自动的；
(7)接收缓冲寄存器：保存接收到的数据；
(8)接收移位器：把数据线上接收到的数据一位一位的写到接收缓冲寄存器里；

4、串行通信模式

4.1、FIFO模式

普通模式下串口只有一个发送缓冲寄存器和一个接收缓冲寄存器，CPU要不断切换上下文去处理串口通信，这会导致效率低下，浪费CPU的性能。FIFO模式就是扩大缓冲寄存器的数量，从一个寄存器扩大到64个寄存器。这样以前要一个字节处理一次串口通信变成64个字节才处理一次串口通信，
降低了CPU处理串口通信的频率。这只是在一定程度上解决，当有大量数据要发送时FIFO模式还是不能满足需求，于是就有了DMA模式。(每个串口的FIFO模式扩充的缓冲寄存器数量可能是不同的，有256、64、16，具体看数据手册说明)
补充：
(1)FIFO(First In First Out)其实是一种数据结构的名字，数据按照先进先出的原则进行处理。叫FIFO模式是因为扩大的缓冲区类似FIFO这种数据结构，也是先进先出；
(2)FIFO模式在策略上就不能解决大量数据通信，因为不能无限的扩大缓冲寄存器的数量，在CPU中寄存器是有限且珍贵的；

4.2、DMA模式

DMA(direct memory access)模式是为了解决串口大量数据传输的，DMA模式下缓冲区不再是寄存器，而是划定一块内存用作缓冲区，这样CPU就不用再频繁去处理串口通信。

4.3、IrDA模式

(1)IrDA(Infrared)就是红外线通信，电视机、空调的遥控器就是红外线通信。红外通信是发送方固定间隔向接收方发送红外信号，这和串口通信是类似的，所以可以用串口通信来实现红外通信；
(2)不是每个串口都支持IrDA模式，具体要查数据手册；并且需要外部硬件支持，至少你得有一个红外线的发送、模块吧。

5、串行通信工作模式：轮询模式、中断模式

(1)轮询方式：:CPU不断去查询串口控制器的状态位，当缓冲区空/满时就去填充/获取数据。这样比较耗费CPU性能，但是程序简单。
(2)中断模式：当缓冲区空/满时串口控制器会发出中断信号，通知CPU去处理串口缓冲区的数据。这样会降低CPU处理串口的频率，但是需要用到终端，程序要复杂些。
总结：两种方式各有优劣，串口通信是异步的，更契合中断模式，但是轮询方式胜在简单。在uboot阶段的串口通信时，我所接触到的就是使用的轮询模式，因为当uboot
进入到shell界面时，uboot就等着接受指令，CPU也不着急做其他的事情，浪费CPU性能也无所谓。

6、串行控制器的时钟框图

右边虚线框里是UART的时钟框图，主要包括Clock_Selection、UCLK_Generator、Clock_Selection：可以通过UCON寄存器的10bit位选择时钟来源；UCLK_Generator:对上一步的时钟源进行分频，产生合适的波特率；分频系数需要根据时钟频率和波特率进行计算，将计算好的分频系数填到UBDIV和UDIVSLOT寄存器中。

7、串行通信的配置寄存器

7.1、ULCONn

配置校验位、数据位、停止位、决定是否用IrDA模式。

7.2、UCONn寄存器

选择是轮询模式还是中断模式、选择时钟来源

7.3、UMCONn寄存器

禁止modem、afc

7.4、UFCONn寄存器

FIFO模式的相关配置

7.5、UBRDIVn寄存器

UBRDIV寄存器的bit0-bit15保存的是串口时钟的分频系数整数部分；

7.6、UDIVSLOTn寄存器

UDIVSLOT寄存器的bit0-bit15保存的分频系数的小数部分，但不是直接将小数部分写入，而是要查表来确认写入的值。

7.7、UTXHn寄存器

将要发送的数据写到该寄存器；

7.8、URXHn寄存器

接收到的数据会保存到该寄存器；

8.1、波特率计算

(1) 分频系数的计算公式：DIV_VAL = (PCLK / (bps x 16)) -1；
(2) 串口的时钟来源是PCLOCK_PSYS=66MHZ，如果要将波特率设置成115200，根据上面的公式可得，DIV_VAL=(66000000/(115200x16)-1)=34.8;
(3) 于是UBRDIVn的值是34，小数部分是0.8，要根据小数来计算UDIVSLOTn的值；

8.2、UDIVSLOTn值计算

(1)UDIVSLOTn中的值满足关系：UDIVSLOTn中1的个数除以16等于上面计算出的DIV_VAL的小数部分值。
(2)上面计算得小数部分是0.8，于是UDIVSLOTn中1的个数为0.8*16=12(向下取整)，查表可知UDIVSLOTn应该填0XDDDD；
(3)按照上面的计算公式，只要知道UBRDIVn中有几个1，UBRDIVn的值在满足条件的情况下是任意的，但是实际却是固定的，需要查表来转换。这是因为这里计算分频系数不是纯数学计算，是要依赖具体的物理器件，物理器件有自己的物理特性，芯片开发工程师很了解，在表格里给了建议值，我们查表即可。