PC下串口IO空间及其寄存器详解

串口（Serial UART), 全称是通用异步收发口universal asynchronous receiver/transmitter.

主要用于计算机之间的串行通信任务。UART主要完成时序和奇偶校验等功能。而在通信时

需要附加的设备是TTL电平与RS232电平的转换设备。

对于TTL电平，规定+5V为逻辑“1”， 0V为逻辑“0”

对于RS232电平，规定+3V到+12V为逻辑“1”， -12V到-3V为逻辑"0"

当要使用UART进行通信之前，通常要对UART的相关寄存器进行正确的配置，才能进行正常的通信。 

可能大家都有过在单片机或者ARM,DSP上使用串口的经历。串口配置起来的确简单，好用。但我这里要写的主要是针对PC机上的串口寄存器配置。如果是要在ARM或者是单片机上使用串口，可能下面要讲到的寄存器会不适用。不过大致的原理却是一致的。 

我们知道，串口都有相应的接收寄存器和发送寄存器，当有数据到来的时候，我们可以从接收寄存器中去读取，当要发送数据的时候，我们会向发送寄存器写数据，然后剩下来的一切就交给硬件去做吧。当然，在我们能进行正常的读写之前，有一点很重要，就是要配置好波特率，也就是说发送方和接收方的波特率必须要保持一致，不然就算是你能收到数据，到时候也只是一堆乱码而已。 

对于编程而言，串口的工作模式有两种：

第一种是查询模式，也就是CPU不停地检测接收寄存器，看有没有数据到达

第二种是中断模式，CPU可以去做别的事，有数据到的时候会有相应的中断，然后CPU再跳转过去处理数据。

这两种模式可以根据实际的情况来使用，在此不细说。 

还是回到讲PC的串口的寄存器的主题上来：

在PC上，串口的寄存器是要占用相应的IO空间的，也就是说我们可以通过向相应的IO口写值来改变寄存器的配置。如表1-1所示：

Default I/O addresses and IRQ's on a PC system
COM1	0x3F8 - 0x3FF	4
COM2	0x2F8 - 0x2FF	3
COM3	0x3E8 - 0x3EF	4
COM4	0x2E8 - 0x2EF	3

上面这张表是默认的串口默认使用的I/O地址和中断向量号，在一些特定的系统上，这些值有可能会变动。 

接下来要讲的是串口所使用的寄存器了。

对于每一个UART来说，有8个字节的I/O用于其寄存器的访问。如表1-2所示：表中的DLAB是LCR寄存器的Bit7，位于base+3处。

UART register to port conversion table
	DLAB = 0	DLAB = 1
I/O port	Read	Write	Read	Write
base	RBR receiver buffer	THR transmitter holding	DLL divisor latch LSB
base + 1	IER interrupt enable	IER interrupt enable	DLM divisor latch MSB
base + 2	IIR interrupt identification	FCR FIFO control	IIR interrupt identification	FCR FIFO control
base + 3	LCR line control
base + 4	MCR modem control
base + 5	LSR line status	– factory test	LSR line status	– factory test
base + 6	MSR modem status	– not used	MSR modem status	– not used
base + 7	SCR scratch

下面将详细地介绍每一个寄存器。

RBR : 接收缓冲寄存器Receiver buffer register (RO)

RBR在FIFO未开启的时候，只包含当前接收到的一个Byte。当FIFO被启用的时候，每一次的读操作都会返回FIFO头部的一个数据，直到FIFO空为止。当FIFO为空时LSR的Bit 0会由1变为0。

THR : 发送保持寄存器Transmitter holding register (WO)

THR主要用于缓冲输出数据，当FIFO未被启用的时候，只能缓冲一个Byte的数据，当FIFO启用时，可以缓冲多个Byte的数据，当LSR的Bit 1为“1”时表示缓冲器为空，此时可以写入数据，但是没有一个寄存器可以表示当前FIFO中的有效数据个数。

IER : 中断使能寄存器Interrupt enable register (R/W)

IER是中断使能寄存器，在使用串口通信时使用中断方式无疑是高效的。使用中断可以不必定时地去查询寄存器的状态，UART会自动地向处理器发起中断信号。除非UART被配置成中断模式，否则中断是不会自动产生的。

IER : Interrupt enable register
Bit	Description
0	Received data available
1	Transmitter holding register empty
2	Receiver line status register change
3	Modem status register change
4	Sleep mode (16750 only)
5	Low power mode (16750 only)
6	reserved
7

 

IIR : 中断识别寄存器Interrupt identification register (RO)

当UART的状态改变的时候会产生中断，但具体是哪种状态的改变产生的中断呢？如果软件在中断产生时想要识别当前的状态改变信息，如何办呢？这个时候，IIR就派上用场了。

IIR : Interrupt identification register
Bit	Value	Description	Reset by
0	0	Interrupt pending	–
1	No interrupt pending	–
1,2,3	Bit 3	Bit 2	Bit 1
0	0	0	Modem status change	MSR read
0	0	1	Transmitter holding register empty	IIR read or THR write
0	1	0	Received data available	RBR read
0	1	1	Line status change	LSR read
1	1	0	Character timeout (16550)	RBR read
4	0	Reserved	–
5	0	Reserved (8250, 16450, 16550)	–
1	64 byte FIFO enabled (16750)	–
6,7	Bit 7	Bit 6
0	0	No FIFO	–
1	0	Unusable FIFO (16550 only)	–
1	1	FIFO enabled	–

 

FCR : FIFO控制寄存器FIFO control register (WO)

FCR主要用于控制UART的FIFO动作。

FCR : FIFO control register
Bit	Value	Description
0	0	Disable FIFO's
1	Enable FIFO's
1	0	–
1	Clear receive FIFO
2	0	–
1	Clear transmit FIFO
3	0	Select DMA mode 0
1	Select DMA mode 1
4	0	Reserved
5	0	Reserved (8250, 16450, 16550)
1	Enable 64 byte FIFO (16750)
6,7	Bit 7	Bit 6	Receive FIFO interrupt trigger level
0	0	1 byte
0	1	4 bytes
1	0	8 bytes
1	1	14 bytes

 

LCR : Line control register (R/W)

LCR，线控寄存器，主要用于配置stop bit的位数，奇偶校验以及DLL和DLM寄存器的可访问性。DLL和DLM这些寄存器与RBR, THR和IER寄存器一样被映射同样的IO口上。它们只有在串口初始化的时候才会被配置。

常用的串口配置有：

l  8个数据位，1个停止位，无奇偶校验

l  7个数据位，1个停止位，偶校验

LCR : line control register
Bit	Value	Description
0,1	Bit 1	Bit 0	Data word length
0	0	5 bits
0	1	6 bits
1	0	7 bits
1	1	8 bits
2	0	1 stop bit
1	1.5 stop bits (5 bits word) 2 stop bits (6, 7 or 8 bits word)
3,4,5	Bit 5	Bit 4	Bit 3
x	x	0	No parity
0	0	1	Odd parity
0	1	1	Even parity
1	0	1	High parity (stick)
1	1	1	Low parity (stick)
6	0	Break signal disabled
1	Break signal enabled
7	0	DLAB : RBR, THR and IER accessible
1

 

MCR : Modem control register(R/W)

MCR主要用于控制Modem。这个不多说。

MCR : Modem control register
Bit	Description
0	Data terminal ready
1	Request to send
2	Auxiliary output 1
3	Auxiliary output 2
4	Loopback mode
5	Autoflow control (16750 only)
6	Reserved
7	Reserved

LSR : Line status register (RO)

LSR这个寄存器很有用，它作为状态寄存器反映了当前通信的状态。

LSR : Line status register
Bit	Description
0	Data available
1	Overrun error
2	Parity error
3	Framing error
4	Break signal received
5	THR is empty
6	THR is empty, and line is idle
7	Errornous data in FIFO

其中bit 0用于接收数据状态，bit 5用于发送数据状态。

MSR : Modem status register (RO)

MSR反映了Modem的状态信息，这个也不多说。

MSR : Modem status register
Bit	Description
0	change in Clear to send
1	change in Data set ready
2	trailing edge Ring indicator
3	change in Carrier detect
4	Clear to send
5	Data set ready
6	Ring indicator
7	Carrier detect

 

SCR : Scratch register (R/W)

这个寄存器也用得很少，在此不多讲。

DLL and DLM : Divisor latchregisters (R/W)

这两个寄存器合起来用于配置分频器，以得到合适的波特率。一般而言，在pc上用于串口通信的晶体的频率为：1.8432MHz。用这个频率除以16后用作串口的最大频率。所以一般串的最大传输速率为：1.8432 * 10^6 / 16= 115200bps。但有的modem使用24MHz的晶体作为初始频率，因此最大的传输速率可以达到1.5Mbps。

DLL and DLM : Divisor latch registers
Speed (bps)	Divisor	DLL	DLM
50	2,304	0x00	0x09
300	384	0x80	0x01
1,200	96	0x60	0x00
2,400	48	0x30	0x00
4,800	24	0x18	0x00
9,600	12	0x0C	0x00
19,200	6	0x06	0x00
38,400	3	0x03	0x00
57,600	2	0x02	0x00
115,200	1	0x01	0x00