UART基础知识

通 用异步收发传输器（Universal Asynchronous Receiver/Transmitter)，通常称作UART，是一种异步收发传输器，是电脑硬件的一部分。将资料由串行通信与并行通信间作传输转换， 作为并行输入成为串行输出的芯片，通常集成于其他通讯接口的连结上。

具 体实物表现为独立的模块化芯片，或作为集成于微处理器中的周边设备。一般和RS-232C规格的，类似Maxim的MAX232之类的标准信号幅度变换芯 片进行搭配，作为连接外部设备的接口。在UART上追加同步方式的序列信号变换电路的产品，被称为USART(Universal Synchronous Asynchronous Receiver Transmitter)。
 
计 算机内部采用并行数据，不能直接把数据发到Modem，必须经过UART整理才能进行异步传输，其过程为：CPU先把准备写入串行设备的数据放到UART 的寄存器（临时内存块）中，再通过FIFO（First Input First Output，先入先出队列）传送到串行设备，若是没有FIFO，信息将变得杂乱无章，不可能传送到Modem。
它 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（键盘和鼠标也是串行设备）。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，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。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。
 
通信协议
UART作为异步串口通信协议的一种，工作原理是将传输数据的每个字符一位接一位地传输。
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。 由于数据是在传输线上定时的，并且每一个设备有其自己的时钟，很可能在通信中两台设备间出现了小小的不同步。因此停止位不仅仅是表示传输的结束，并且提供 计算机校正时钟同步的机会。适用于停止位的位数越多，不同时钟同步的容忍程度越大，但是数据传输率同时也越慢。
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标。表示每秒钟传送的字符数。例如资料传送速率为120字符/秒，则波特率就是120baud，如果每个字符是用8个二进制编码， 则比特率是120*8=960bit/s。这两者的概念很容易搞错，作为电子工程专业出身，不能容忍这些明显的概念错误的。
 
基本结构
⑴输出缓冲寄存器，它接收CPU从数据总线上送来的并行数据，并加以保存。
⑵ 输出移位寄存器，它接收从输出缓冲器送来的并行数据，以发送时钟的速率把数据逐位移出，即将并行数据转换为串行数据输出。
⑶ 输入移位寄存器，它以接收时钟的速率把出现在串行数据输入线上的数据逐位移入，当数据装满后，并行送往输入缓冲寄存器，即将串行数据转换成并行数据。
⑷ 输入缓冲寄存器，它从输入移位寄存器中接收并行数据，然后由CPU取走。
⑸控制寄存器，它接收CPU送来的控制字，由控制字的内容，决定通信时的传输方式以及数据格式等。例如采用异步方式还是同步方式，数据字符的位数，有无奇偶校验，是奇校验还是偶校验，停止位的位数等参数。
⑹状态寄存器。状态寄存器中存放着接口的各种状态信息，例如输出缓冲区是否空，输入字符是否准备好等。在通信过程中，当符合某种状态时，接口中的状态检测逻辑将状态寄存器的相应位置“1”，以便让CPU查询。
 
设计思想
数据发送的思想是，当启动字节发送时，通过TxD先发起始位，然后发数据位和奇偶数校验位，最后再发停止位，发送过程由发送状态机控制，每次中断只发送1个位，经过若干个定时中断完成1个字节帧的发送。
数 据接收的思想是，当不在字节帧接收过程时，每次定时中断以3倍的波特率监视RxD的状态，当其连续3次采样电平依次为1、0、0时，就认为检测到了起始 位，则开始启动一次字节帧接收，字节帧接收过程由接收状态机控制，每次中断只接收1个位，经过若干个定时中断完成1个字节帧的接收。
为了提高串口的性能，在发送和接收上都实现了FIFO功能，提高通信的实时性。FIFO的长度可以进行自由定义，适应用户的不同需要。
波特率的计算按照计算公式进行，在设置最高波特率时一定要考虑模拟串口程序代码的执行时间，该定时时间必须大于模拟串口的程序的规定时间。单片机的执行速度越快，则可以实现更高的串口通讯速度。
 
工作原理
发送接收
发 送逻辑对从发送FIFO 读取的数据执行“并→串”转换。控制逻辑输出起始位在先的串行位流，并且根据控制寄存器中已编程的配置，后面紧跟着数据位（注意：最低位 LSB 先输出）、奇偶校验位和停止位。在检测到一个有效的起始脉冲后，接收逻辑对接收到的位流执行“串→并”转换。此外还会对溢出错误、奇偶校验错误、帧错误和 线中止（line-break）错误进行检测，并将检测到的状态附加到被写入接收FIFO 的数据中。
波特率产生
波特率除数（baud-rate divisor）是一个22 位数，它由16 位整数和6 位小数组成。波特率发生器使用这两个值组成的数字来决定位周期。通过带有小数波特率的除法器，在足够高的系统时钟速率下，UART 可以产生所有标准的波特率，而误差很小。
数据收发
发 送时，数据被写入发送FIFO。如果UART 被使能，则会按照预先设置好的参数（波特率、数据位、停止位、校验位等）开始发送数据，一直到发送FIFO 中没有数据。一旦向发送FIFO 写数据（如果FIFO 未空），UART 的忙标志位BUSY 就有效，并且在发送数据期间一直保持有效。BUSY 位仅在发送FIFO 为空，且已从移位寄存器发送最后一个字符，包括停止位时才变无效。即 UART 不再使能，它也可以指示忙状态。BUSY 位的相关库函数是UARTBusy( )
在UART 接收器空闲时，如果数据输入变成“低电平”，即接收到了起始位，则接收计数器开始运行，并且数据在Baud16 的第8 个周期被采样。如果Rx 在Baud16 的第8 周期仍然为低电平，则起始位有效，否则会被认为是错误的起始位并将其忽略。如果起始位有效，则根据数据字符被编程的长度，在 Baud16 的每第 16 个周期对连续的数据位（即一个位周期之后）进行采样。如果奇偶校验模式使能，则还会检测奇偶校验位。最后，如果Rx 为高电平，则有效的停止位被确认，否则发生帧错误。当接收到一个完整的字符时，将数据存放在接收FIFO 中。
中断控制
出现以下情况时，可使UART 产生中断：
FIFO 溢出错误
线中止错误（line-break，即Rx 信号一直为0 的状态，包括校验位和停止位在内）
奇偶校验错误帧错误（停止位不为1）
接收超时（接收FIFO 已有数据但未满，而后续数据长时间不来）
发送
接收
由于所有中断事件在发送到中断控制器之前会一起进行“或运算”操作，所以任意时刻 UART 只能向中断产生一个中断请求。通过查询中断状态函数UARTIntStatus( )，软件可以在同一个中断服务函数里处理多个中断事件（多个并列的if 语句）。
FIFO 操作
FIFO 是“First-In First-Out”的缩写，意为“先进先出”，是一种常见的队列操作。 Stellaris 系列ARM 的UART 模块包含有2 个16 字节的FIFO：一个用于发送，另一个用于接收。可以将两个FIFO 分别配置为以不同深度触发中断。可供选择的配置包括：1/8、 1/4、1/2、3/4 和7/8 深度。例如，如果接收FIFO 选择1/4，则在UART 接收到4 个数据时产生接收中断。
发送FIFO的基本工作过程：
只要有数据填充到发送FIFO 里，就会立即启动发送过程。由于发送本身是个相对缓慢的过程，因此在发送的同时其它需要发送的数据还可以继续填充到发送 FIFO 里。当发送 FIFO 被填满时就不能再继续填充了，否则会造成数据丢失，此时只能等待。这个等待并不会很久，以9600 的波特率为例，等待出现一个空位的时间在1ms 上下。发送 FIFO 会按照填入数据的先后顺序把数据一个个发送出去，直到发送 FIFO 全空时为止。已发送完毕的数据会被自动清除，在发送FIFO 里同时会多出一个空位。
接收FIFO的基本工作过程：
当 硬件逻辑接收到数据时，就会往接收FIFO 里填充接收到的数据。程序应当及时取走这些数据，数据被取走也是在接收FIFO 里被自动删除的过程，因此在接收 FIFO 里同时会多出一个空位。如果在接收 FIFO 里的数据未被及时取走而造成接收FIFO 已满，则以后再接收到数据时因无空位可以填充而造成数据丢失。
收 发FIFO 主要是为了解决UART 收发中断过于频繁而导致CPU 效率不高的问题而引入的。在进行 UART 通信时，中断方式比轮询方式要简便且效率高。但是，如果没有收发 FIFO，则每收发一个数据都要中断处理一次，效率仍然不够高。如果有了收发FIFO，则可以在连续收发若干个数据（可多至14 个）后才产生一次中断然后一并处理，这就大大提高了收发效率。完全不必要担心FIFO 机制可能带来的数据丢失或得不到及时处理的问题，因为它已经帮你想到了收发过程中存在的任何问题，只要在初始化配置UART 后，就可以放心收发了， FIFO 和中断例程会自动搞定一切。
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 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。