4 UART串列埠(RS232)相關內容

1、首先交代：計算機中，硬體層面僅僅包括CPU和外設

只要一上電，CPU核一天到晚都在跟外設進行資料的互動。既然CPU核和外設要進行資料互動，明確常見幾種資料通訊方式：

GPIO通訊方式（輸入或者輸出）：例如：LED燈或者蜂鳴器或者按鍵等；

UART串列埠通訊方式：例如：BT，GPRS,GPS等；

I2C匯流排通訊方式：例如：LM77溫度感測器，MMA8653三軸加速度感測器，電容觸控式螢幕等；

SPI匯流排通訊方式：例如：Norflash快閃記憶體，SD卡等；

1-Wire匯流排通訊方式：例如：DS18B20溫度感測器,，EEPROM儲存器等；

          

2、然後談談UART串列埠定義

定義就九個字：通用序列非同步收發器

接下來對定義進行詳細闡述：

“通用”：UART串列埠應用非常廣泛

“序列”：說明CPU和外設之間資料傳輸只需一根訊號線即可，此訊號線用於傳輸資料，又稱資料線，如果CPU要給外設傳送1，CPU只需將資料線拉高電平，如果CPU要給外設傳送0，CPU只需將資料線拉低電平，CPU和外設資料傳輸是一位一位的進行。

切記：UART資料傳輸從低位開始！

例如：CPU通過UART串列埠給BT傳送資料0x95(10010101)，資料線的電平操作為：

10101001->資料線電平:高->低->高->低->高->低->低->高

具體參見uart1.bmp

"並行"：CPU和外設之間資料通訊採用多根資料線（8根/16根/32根）一次可以傳輸1位元組/2位元組/4位元組

例如：記憶體，Nandflash，Norflash等都是採用並行傳輸。

序列和並行對比：

傳輸距離上：序列適合於遠距離傳輸

抗干擾性上：序列優於並行

傳輸速度上：一般通常,並行快於序列                                                                                                              

"非同步"：

明確：計算機中，CPU核數據處理速度遠遠快於外設。

問：由於CPU的資料處理速度遠遠快於外設，例如當CPU核向外設傳送資料時，如何保證外設能夠及時正常的獲取到資料呢？

答：此時此刻就需要考慮雙方的資料同步問題。

“資料同步”：一方傳送資料時，要務必保證接收方將資料及時正常接收到。

明確：計算機中，資料同步的方法有兩種：非同步和同步，而UART串列埠採用的非同步

“非同步”：CPU和外設在資料傳輸過程當中保證資料同步即可。

 

傳輸之前和傳輸之後無需考慮同步問題。到底非同步如何實現資料傳輸正常呢？具體在傳輸協議中待會兒要談談UART串列埠傳輸協議（規範）

結論：一旦有非同步，必須有協議

“同步”：CPU和外設之間不僅僅需要資料線（可以是一根或者多根），還需要一根時鐘控制訊號線，此時鐘控制訊號線用來實現雙方的資料同步，具體參見uart2.bmp

例如：CPU向LM77傳送1

CPU在CLK訊號線為低電平的時候，將資料1放到資料線（其實就是將資料線拉高電平）外設LM77就在同週期的CLK為高電平的時候，從資料線上將1讀走（其實就是LM77判斷資料線的電平是高電平還是低電平）

總結：低放高取

                                                                         

“收發器”：傳送資料和接收資料的硬體

例如：CPU向外設傳送資料，CPU就是傳送器，外設就是接收器

例如：外設向CPU傳送資料，外設是傳送器，CPU就是接收器

3、定義講完，立馬再次回到之前的問題

問：UART串列埠到底如何實現資料同步呢？前提是採用非同步方式

答：答案在UART串列埠資料傳輸協議中

此時此刻大談特談UART資料傳輸協議，首先交代協議中相關概念：

空閒位：UART串列埠在不進行資料傳輸時,，資料線一直髮送空閒位，空閒位的有效電平為高電平

起始位：如果CPU和外設要進行資料傳輸，首先發送起始位，表示雙方開始傳送傳輸資料了，有效電平為低電平，有效位數一位（一個bit位）

資料位：CPU和外設資料傳輸時，有效的資料位數（5/6/7/8）。一般選擇8位，一次傳輸8個bit位，但是也是一個bit位一個bit位的傳輸，有效的高低電平根據資料來定                                                     

奇偶校驗位：用來指示檢查雙方資料傳輸過程中是否出錯

校驗方式有三種：奇校驗/偶校驗/不校驗

注意：雙方的校驗方式要保持一致！

    如果不採用校驗，無需傳送校驗位！

有效位數為一個bit位

例如：以CPU向BT傳送0x95資料為例,並且採用奇校驗方式

CPU傳送資料的過程：

1）CPU將資料0x95從低位開始一個bit位一個bit位傳送到資料線上

2）CPU將資料傳送完畢，CPU計算資料0x95（10010101）中"1"的個數。0x95中1的個數為4，4是一個偶數，而現在校驗方式採用奇校驗。所以只需讓奇偶校驗位的值為1，這樣4+1=5，5是一個奇數，符合奇校驗。

3）CPU算完以後，然後向資料線上傳送奇偶校驗位為1就是一個（高電平）

                                                

BT接收資料的過程：

1）BT首先從資料線上將資料0x95接收到

2）BT然後再從資料上將CPU傳送的校驗位的值接收到（為1）

3）BT計算資料0x95中的1的個數為4，並且接收到的校驗位的值為1。所以4+1=5，5是一個奇數，並且BT同樣採用奇校驗方式，5符合要求，說明雙方的資料傳輸正確。

                                                

停止位：CPU和外設停止資料互動，最後傳送一個停止位即可。有效位數為1位或者2位，有效電平為高電平

              

波特率：用來指定CPU和外設資料傳輸的速率。常用的兩個波特率：9600/115200。表示一秒鐘雙方資料傳輸9600個bit位或者115200個bit位。

例如：CPU向BT傳送0x95資料為例,並且UART串列埠的工作引數：

115200（波特率），8（資料位為8位）o（採用奇校驗）1（停止位為1位）

具體時序參見:uart3.bmp

              

如果將來UART資料傳輸異常，不確定，此時此刻只需利用示波器儀器抓去資料線上波形即可，然後認真分析波形。

        

4、UART串列埠三種工作模式

單工：資料傳輸永遠只朝一個方向進行

半雙工：資料傳輸可以雙向，但是同一時刻只能朝一個方向

全雙工：資料傳輸可以同時雙向進行，此時資料線必須是兩根。

一根資料線用來發送資料（TX）

一個數據線用來接收資料（RX）

當然除了資料線，還需一根地線

一般都是採用全雙工，具體參見:uart4.bmp

                                                                                                                                        

5、實戰演練UART串列埠

1）提出和分析使用者需求

需求：下位機通過UART重複給上位機發送字串資料

2）掌控下位機的UART串列埠硬體資訊

粗看：看位置，UART0串列埠座

細看：先看原理圖後看晶片手冊，具體硬體具體分析。先看原理圖，得到：

1.開啟底板原理圖，得到：上位機的RX引腳線->串列埠座PC_RXD1->SP3232晶片的T2OUT->SP3232晶片的T2IN->S5P6818的引腳UARTTXD0

同樣UARTTXD0引腳也具有四種功能：

GPIOD18/UARTTXD0/ISO7816/SDWP2

結論：此時應該選擇UARTTXD0（用於資料傳送）

                          

上位機的TX引腳線->串列埠座PC_TXD1->SP3232晶片的R2IN->SP3232晶片的R2OUT

->S5P6818的引腳UARTRXD0

同樣UARTRXD0引腳也具有四種功能：

GPIOD14/UARTRXD0/ISO7816

結論：此時應該選擇UARTRXD0（用於資料接收）

此時此刻畫出一個實際的UART硬體通訊示意圖，參見uart5.bmp

總結：SP3232E電平轉換晶片：就是將TTL電平（CPU識別）轉換成EIA電平，適合於遠距離傳輸，抗干擾性強，當然另一端還需將EIA電平在轉換成TTL電平。

此晶片完全跟硬體設計相關，軟體無需關注，瞭解即可。

                 

3）看圖得到重要的軟體操作S5P6818的UARTTXD0和UARTRXD0的流程

說流程之前畫出一個操作示意圖,具體參見:uart6.bmp

1. CPU核軟體上通過地址指標的形式訪問UART控制器內部的一大堆暫存器，也就是CPU核給UART控制器傳送控制命令

2.UART控制器接收到CPU傳送的控制命令，UART控制器硬體上自動操作UARTTXD0和UARTRXD0

3.UARTRXD0和UARTTXD0電平來影響操作上位機PC

4.立馬提出問題：UART控制器和內部的一大堆暫存器如何訪問操作呢？

答：由於UART控制器整合在S5P6818內部，只需看S5P6818晶片手冊中關於UART相關的章節即可。

                 

4）然後開啟S5P6818晶片手冊，認真，仔細，耐心閱讀，得到：

1.開啟S5P6818晶片手冊P960

2.獲取重要的硬體資訊

 

S5P6818共支援6個UART，跟PC機連線的是UART0。每一個UART內部都集成了2個64位元組的緩衝區，一個用於傳送資料，一個用於接收資料

 

5）每一個UART控制器內部都集成了一個傳送器。而傳送器內部有集成了一個傳送緩衝區和一個傳送移位器。傳送緩衝區是用於暫存要傳送的資料。傳送移位器是用於將傳送緩衝區中的資料一位一位的傳送到TX資料線上。傳送移位器傳送資料的頻率由波特率產生器決定，例如波特率給傳送移位器產生一個波特率為115200的頻率，將來移位器根據此頻率將資料一位一位的放到TX資料線上。波特率產生器的工作頻率由時鐘源來決定

 

問：傳送資料的頻率最終由時鐘源決定,時鐘源如何設定呢？

如果UART控制器工作在FIFO模式，傳送緩衝區的大小為64位元組

如果UART控制器工作在非FIFO模式,傳送緩衝區的大小為1位元組

 

  6）每一個UART控制器內部還集成了一個接收器

而接收器內部集成了一個接收緩衝區和一個接收移位器，接收移位器根據波特率產生器的頻率從RX資料線上一位一位的接收資料，然後將接收到的資料放到接收緩衝區中，將來程式以指標的形式訪問接收緩衝區,將接收到的資料獲取到。

問：如何訪問傳送緩衝區？決定軟體如何傳送資料

如何訪問接收緩衝區？決定軟體如何獲取資料

如何配置時鐘源？決定波特率