UART 基础知识

UART (Universal Asynchronous Receiver/Transmitter)
通用异步收发器

UART是用于控制计算机与串行设备的芯片。有一点要注意的是，它提供了RS-232C数据终端设备接口，这样计算机就可以和调制解调器或其它使用RS-232C接口的串行设备通信了。作为接口的一部分，UART还提供以下功能：

    将由计算机内部传送过来的并行数据转换为输出的串行数据流。

    将计算机外部来的串行数据转换为字节，供计算机内部使用并行数据的器件使用。

    在输出的串行数据流中加入奇偶校验位，并对从外部接收的数据流进行奇偶校验。

    在输出数据流中加入启停标记，并从接收数据流中删除启停标记。

    处理由键盘或鼠标发出的中断信号（键盘和鼠票也是串行设备）。

    可以处理计算机与外部串行设备的同步管理问题。

    有一些比较高档的UART还提供输入输出数据的缓冲区，现在比较新的UART 是16550，它可以在计算机需要处理数据前在其缓冲区内存储16字节数据，而通常的UART是8250。现在如果您购买一个内置的调制解调器，此调制解调器内部通常就会有16550 UART。

1.UART协议的工作特点
1.1数据采样

    UART协议是实现设备之间低速数据通信的标准协议。因发送时不需同时发送时钟，故此协议为异步。UART链接典型为38400，9600波特 。如下图1，UART字符格式为1个起始位，5~8个数据位，1个地址位或奇偶位(可选)，1个停止位。

    由于接收器、发送器异步工作，无需联接接收和发送时钟。接收器采取对输入数据流高度采样方式，通常采样为16，并根据采样值确定位值。按惯例，使用16个采样值的中间三个值。

1.2 UART帧区分

    UART一参数MAX-IDL，用来设置空闲字符的多少。一旦一字符在线上被接收，UART控制器开始计数接收到的空闲字符。若下一数据字符接收前，一MAX-IDL多个空闲字符被接收，则产生空闲时间，缓冲区被关闭。顺次对CPU32+核心发出一中断请求，要求从缓冲区接收数据。因此，MAX-IDL给UART模式提供一区分帧的便利方法。

    空闲字符按以下公式计算其位数：1(起始)+数据长度(5，6，7，8)+1(若奇偶校验被使用)+停止位(1)。例如，1个(起始)，8位数据，无校验，1个停止位，则空闲字符MAX-IDL为10位。

1.3 UART地址识别

    多站系统中，网络上可能会有两个以上的站，每个站有一特定的地址。下图2为此种结构的两个示例。由许多字符构成的帧可被广播，其第一字符做为目的地址。为实现此功能，UART帧被扩展一位，以区别地址字符和正常数据字符。

    UART可被设置为操作于一多站环境，此环境下，支持以下两种模式：
自动多站模式 当地址于两个预置值之一相匹配时，UART控制器自动检查到来地址字符，接收随后的数据。

    非自动多站模式 UART控制器接收所有数据。一地址字符总被写入一新缓冲区。

    综上所述，UART协议采取一种通过数据采样来确定位值的机理，具有简单准确的定帧模式，而且广泛用于多站系统中，具有自动多站和非自动多站两种模式，来区分地址和数据。

2.几种重要寄存器

    在嵌入式开发中，对寄存器的理解和正确配置至关重要。对MPC860的UART协议，有几个重要寄存器，它们是：管足配置寄存器、波特率配置寄存器、通信处理命令寄存器、SCC通用模式寄存器、发送和接收缓冲区描述器、UART的特定参数、SCC协议专用模式寄存器、SCC协议事件寄存器、UART屏蔽寄存器。

    管足配置寄存器一般是针对收、发两根管足，有开漏寄存器、数据寄存器、数据方向寄存器，它们可被设置为具有串行信道输出的能力和被设置为输入输出口。波特率配置寄存器负责把波特率指向所用的串口和配置波特率大小。通信处理命令寄存器主要用于判断命令的发出是否和阻止传送。SCC通用模式寄存器主要用于协议的选择和传输格式的配置。发送和接收缓冲区描述器主要用于收发数据和判断接收的是地址还是数据，数据的错误情况等。UART的特定参数用来部分初始化UART。SCC协议专用模式寄存器主要用于设置UART处于自动多站和非自动多站模式。事件寄存器主要用于判断是收中断还是发中断。屏蔽寄存器主要用于收、发使能。

    因此，对UART协议来说，上面几种寄存器是很重要的，它们主要完成波特率配置，协议的选择，收发判断处理等。

UART & RS232 & COM

    UART是通用异步收发器（异步串行通信口）的英文缩写，它包括了RS232、RS499、RS423、RS422和RS485等接口标准规范和总线标准规范，即UART是异步串行通信口的总称。

    而RS232、RS499、RS423、RS422和RS485等，是对应各种异步串行通信口的接口标准和总线标准，它规定了通信口的电气特性、传输速率、连接特性和接口的机械特性等内容。实际上是属于通信网络中的物理层（最底层）的概念，与通信协议没有直接关系。而通信协议，是属于通信网络中的数据链路层（上一层）的概念。

    COM口是PC（个人计算机）上，异步串行通信口的简写。由于历史原因，IBM的PC外部接口配置为RS232，成为实际上的PC界默认标准。所以，现在PC机的COM口均为RS232。

        UART（Universal Asynchronous Receiver/Transmitter）即通用异步收发传输器，工作于数据链路层。包含了RS－232、RS－422、RS－485串口通信和红外(IrDA) 等等。UART协议作为一种低速通信协议，广泛应用于通信领域等各种场合。UART基本可分为并口通信及串口通信两种。

         异步串口通信协议作为UART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。图一给出了其工作模式：

 

 

 

图 一

    其中各位的意义如下：
    起始位：先发出一个逻辑 ”0”的信号，表示传输字符的开始。

    资料位：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。

    奇偶校验位：资料位加上这一位后，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。

    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。

    空闲位：处于逻辑 “1”状态，表示当前线路上没有资料传送。

    波特率：是衡量资料传送速率的指针。表示每秒钟传送的二进制位数。例如资料传送速率为 120字符 /秒，而每一个字符为 10位，则其传送的波特率为 10×120＝ 1200字符 /秒＝ 1200波特。

         在嵌入式系统或者计算机中，并非直接对串口直接进行，而是通过SCI （串行通讯接口）模块对其进行控制。（注：“SCI”首先由Motorola微串口微控制器而得名，SCI另一种说法是“UART控制器”）常用的许多芯片中都包含了SCI ,例如ARM的S3C2410X芯片内嵌了3个串行接口控制器，而Nios等软核芯片则可以用选用UART(RS232) 的IP对UART进行控制。PC机则常用 16650 UART,16750 UART等控制串口。

如果实现一个软件UART时，在UART检查端口管脚的串行活动时，需要占用大量时间，让应用程序停滞，这会使得软件UART没有意义。好在情况并非如此，我们来看看标准的10位异步串行协议(包含一个起始位，一个停止位和8个数据位)收发一个字符时的情况(如图1所示)。

图1：标准的10位异步串行协议收发字符时的时序图。

在启动一次发送或接收操作之后，串行UART(不论是软件还是硬件形式的UART)并不需要连续监控I/O线。在发送一个字符时，每个位周期， UART只需驱动一次发送信号线的状态，从起始位到8个数据位直到结束位依次设置每个位的电平。在接收一个字符时，UART在第一个下降沿开始工作，之后只需在每个位时隙的中央对接收线上的信号状态进行一次采样。

我们可以用一对状态机来表征软件UART的行为，一个状态机用于发送字符，另一个用于接收字符。对一个全双工的UART而言，这两个状态机是并行运行的，需要两个独立的定时器中断。这两个状态机都有主动和被动两种模式。发送状态机在收到一个需发送的字符时跳出空闲状态，在结束位发送之后回到空闲状态。接收状态机在检测到接收线上的一个下降沿时跳出空闲状态。在检测到这个初始的低电平状态之后(该状态指示起始位已经开始)，开始对位时隙进行递减计数，同时按要求采样信号线上的每个信号位，包括停止位。

为了避免不必要地占用主应用过多的时间，UART状态机应该由一些周期性的基于定时器的中断来激活。接收线上初始下降沿的检测需要利用一个边沿触发的外部中断单独处理。如果一个状态机的定时器被设置为每个比特周期发出一个中断请求，那么该状态机在每次中断被触发时能够执行任何需要的操作 (而且如果需要，还能进入到下一个状态)。用于实现状态机的代码应尽可能优化，因为只要软件UART处于活动状态，这些代码就会在后台连续运行。

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