IC验证之UART模块

1.UART 模块

1.1UART 工作原理

通过异步收发器（UART）用来传输串行数据。UART之间以全双工方式传输数据，最精简的连接方法只有三条连线：TXD用于发送数据，RXD用于接收数据，Gnd给双方提供参考电平。
UART使用标准的CMOS逻辑电平（0—5V、0—3.3V、0—2.5V或0—1.8V四种）来表示数据，高电平为1，低电平为0。为了增强干扰能力，提到传输长度，通常将CMOS逻辑电平转换为RS-232逻辑电平（3—15V以0表示，-3 — -15V以1表示）。TXD、RXD数据线以“位”位最小传输单位，传输数据包括1位起始位、5—8位数据位、1位奇偶校验位（可选）和1—2位停止位。低位在前，高位在后！
传输数据之前，UART之间要约定数据的传输速率（即每位所占时间，其倒数成为波特率）、数据的帧格式（即有多少个数据位、是否使用校验位、是奇校验还是偶校验、有几位停止位等）。

UART IP结构如下，可以看出，接收FIFO是16x12bit，而发送FIFO是16x8bit。

这是因为接收FIFO中多了4个状态位，包括帧错误、校验错误、中断错误和复写错误。

1.2UART 模块初始化流程

UART中常用的寄存器有控制寄存器UARTCR、线控寄存器UARTLCR_H、FIFO中断阈值寄存器UARTIFLS、波特率寄存器（整数部分UARTIBRD、 小数部分UARTFBRD）、DMA控制寄存器UARTDMACR、标志寄存器UARTFR等。
(1)在配置uart的寄存器前，将控制寄存器UARTCR的bit0置低，取消模块使能。
(2)配置波特率寄存器。
(3)配置线控寄存器
bit0：是否发送break。
bit1：是否使能校验位。
bit2：奇偶校验选择。
bit3：1bit或2bit停止位。
bit4：是否使能FIFO。
bit5-6：数据位宽度选择，00-5bit，01-6bit，10-7bit，11-8bit。
bit7：固定校验位选择，一般不用，若该位为1，则校验位被固定为0或1，所以数据位后和校验位前会多出一个bit，用来满足奇偶校验要求。
(4)配置FIFO阈值寄存器。
(5)配置DMA控制寄存器UARTDMACR
bit0：RX DMA使能。
bit1：TX DMA使能。
bit2：DMA error。
这里的DMA指的是标准DMA IP，具体的源地址和目的地址、传输字节大小、位宽、DMA中断号等需要在DMA中设置。可参考IC验证之DMA使用
(6)配置控制寄存器URATCR，并且使能UART模块
bit0：使能uart模块。
bit8：发送使能。
bit9：接收使能。
bit14：RTS硬件流控。
bit15：CTS硬件流控。
(7)中断屏蔽寄存器UARTIMSC。
需要特别注意的是，虽然手册里说明写入1代表屏蔽该中断，但是实际上是写入1代表使能中断；写入0代表屏蔽中断！

2.UART 流控信号

在RS232中本来CTS与RTS有明确的意义，但自从贺氏(HAYES)推出了聪明猫(SmartModem)后就有点混淆了。在RS232中RTS与CTS是用来半双工模式下的方向切换；HAYES Modem中的RTS，CTS是用来进行硬件流控的。通常UART的RTC、CTS的含义指后者，即用来做硬流控的。

硬流控的RTS、CTS：RTS（Require To Send，发送请求）为输出信号，用于指示本设备准备好可接收；CTS（Clear To Send，发送清除）为输入信号，有效时停止发送。假定A、B两设备通信，A设备的RTS连接B设备的CTS；A设备的CTS连接B设备的RTS。前一路信号控制B设备的发送，后一路信号控制A设备的发送。对B设备的发送（A设备接收）来说，如果A设备接收缓冲快满的时发出RTS信号（意思通知B设备停止发送），B设备通过CTS检测到该信号，停止发送；一段时间后A设备接收缓冲有了空余，发出RTS信号，指示B设备开始发送数据。A设备发（B设备接收）类似。上述功能也能在数据流中插入Xoff（特殊字符）和Xon（另一个特殊字符）信号来实现。A设备一旦接收到B设备发送过来的Xoff，立刻停止发送；反之，如接收到B设备发送过来的Xon，则恢复发送数据给B设备。同理，B设备也类似，从而实现收发双方的速度匹配。

半双工的方向切换：RS232中使用DTR（Date Terminal Ready，数据终端准备）与DSR（Data Set Ready ，数据设备准备好）进行主流控，类似上述的RTS与CTS。对半双工的通信的DTE（Date Terminal Equipment，数据终端设备）与DCE（Data circuit Equipment ）来说，默认的方向是DTE接收，DCE发送。如果DTE要发送数据，必须发出RTS信号，请求发送数据。DCE收到后如果空闲则发出CTS回应RTS信号，表示响应请求，这样通信方向就变为DTE->TCE，同时RTS与CTS信号必须一直保持。从这里可以看出，CTS，TRS虽然也有点流控的意思（如CTS没有发出，DTE也不能发送数据），但主要是用来进行方向切换的。

如果UART只有RX、TX两个信号，要流控的话只能是软流控；如果有RX，TX，CTS，RTS四个信号，则多半是支持硬流控的UART；如果有RX，TX，CTS，RTS，DTR，DSR六个信号的话，RS232标准的可能性比较大。

顺便提一下：

DCD（ Data Carrier Detect， 数据载波检测）：DCE向DTE指示，线路上检测到载波。

RI（Ring Indicator，振铃指示）：DCE向DTE指示，有呼叫接入

3.Modem

调制解调器（英文名Modem），俗称“猫”，是一种计算机硬件。它能把计算机的数字信号翻译成可沿普通电话线传送的脉冲信号，而这些脉冲信号又可被线路另一端的另一个调制解调器接收，并译成计算机可懂的语言。

3.1计算机与modem连接

3.2计算机与非modem连接

3.3特殊情况

4.调试问题

4.1UART 帧错误

在测试使用DMA将UART接收到的数据搬运到SRAM中的case时，发现接收中断已经产生，但是RX FIFO的数据迟迟没有被搬运到sram中。调试发现，第一个字节接收过程中产生了帧错误，导致帧错误中断位被置高，且一直没有处理，所以阻碍了接收数据搬运，将帧错误标志位清除后，case正常。

4.2 UART 中断屏蔽寄存器

比较坑的一点，就是UART中断屏蔽寄存器的使用。虽然手册上描述，写入1代表屏蔽该中断。但是结合IP代码和使用测试，实际上是写入1代表使能该中断，而写入0代表屏蔽该中断！

参考资料

1. UART的RTS,CTS,DTR，DSR这类不常用的特殊信号
2. 串口流控制详解（CTS/RTS,DTR/DSR）
3. UART串行口工作原理