11. 通用异步收发器 UART

11.1 UART原理，部件使用方法

11.1.1UART原理

UART是Universal Asynchronous Receiver Transmitter的缩写，即通用异步收发器
UART用来传输串行数据：
- 发送时，CPU将并行数据写入UART，UART按照一定格式在一根电线上串行发出
- 接收时，UART检测另一根电线上的信号，收集串行数据存放在缓冲区，供CPU读取 连线图：

图中收发各有一条线，有的设备比如SIM卡，只有一条线，收发共用。
- 2条线可以实现全双工
- 1条线可以实现半双工 电平逻辑

• TTL/CMOS
  
  • 5V，3.3V，2.5V/1.8V 表示1
  • 0V，表示0
• RS-232
  
  • 3~12V 表示1
  • -3~-12V表示0

传输结构

• 位，最小单元
• 帧，不可分割的若干位
  
  • 开始位
  • 数据位
  • 校验位（可选）
  • 停止位

波特率
每一位所需时间的倒数，即每秒可以传输的位数。 波形

上图是一个7位数据位的帧波形。

• 空闲状态，高电平
• 拉低1位，表示帧开始
• 然后按照次序，按照约定的每帧数据位数，传输数据
• 数据位全部传输完成后，传输校验位，校验方式提前约定，可以是奇校验，也可以是偶校验
• 下一位是停止位，拉高电平
• 停止位长度可以设置，1，1.5，2，为了保护各个帧，防止错乱

11.1.2 2440的UART

3个通道

• UART0
• UART1
• UART2

工作模式

• 中断模式
• DMA模式

收发过程
发数据

• 2440的UART由深度64的FIFO控制
• CPU写入数据到FIFO
• UART将FIFO的数据复制到“发送移位寄存器”Transmit Shifter
• Shifter将数据发送的TxDn数据线上

收数据

• 数据线RxDn上的数据进入接收移位器，Receive Shifter
• Shifter复制数据到FIFO中
• CPU从FIFO中读取数据
  

11.1.3 2440的UART使用

使用前的设置

• 波特率
• 传输格式
  
  • 数据位宽度
  • 是否使用校验位
  • 奇校验还是偶校验
  • 多少个停止位
  • 是否使用流量控制
  • 设置管脚
    
    • 对应管脚设置位UART管脚
  • UART通道工作模式
    
    • 中断模式
    • DMA模式

设置好以后的使用

• 往某寄存器写入数据即发送
• 读取某个寄存器即获得接收到的数据
• 发送完毕，接收到数据的信息获取
  
  • 查询状态寄存器
  • 设置中断

1. UART管脚设置

• UART通道0
  
  • TxD0 GPH2
  • RxD0 GPH3

所以GPH2和GPH3需要设置成TxD0和RxD0管脚。 2. 波特率 UBRDIVn寄存器
根据芯片手册，时钟频率，波特率和UBVRDIVn寄存器的数学关系如下 UBRDIVn = int(UART clock/(baud rate x 16)) - 1 那么如果给定时钟频率是40MHz，波特率要求是115200，那么可以计算出寄存器UBRDIVn的设置值应该是 UBRDIVn = int(40000000/(115200 x 16)) - 1 = int(21.7) - 1 /*取最近接的整数*/ = 22 - 1 = 21 3. 传输格式 ULCONn寄存器

传输格式包括这几个方面的设置

• 红外模式开关
• 校验位设置
• 停止位设置
• 数据位宽度

其他几项的含义非常直观，不赘述。 红外模式的含义这里按照芯片手册复述一下，来龙去脉并不清楚。
下图是正常的串口波形，高电平是1，低电平是0。
下图是红外模式的波形：

从图中可以看出，在红外模式中：

• 发送时，通过宽度是3/16位的脉冲，判断当前位是0，如果没有脉冲，当前位是1
• 接收时，通过宽度是3/16位的脉冲，发出信号0，如果是1，不发出脉冲

4. UART控制寄存器 UCONn
从低位往高位分析：

接收/接收模式

• 00 关闭，禁止接收
• 01 中断或者查询模式
• 10 ，11 DMA模式

break信号
自环模式
接收错误状态中断

• 0 正常模式
• 1 打开/启用

接收超时中断

• 0 关闭
• 1 打开

发送/接收中断类型

• 0 脉冲
• 1 电平

时钟选择

• 00 10 PCLK
• 01 UEXTCLK
• 11 FCLK/n

PCLK是用于串口等速度较慢的外设的时钟（用于APB 总线设备），FCLK是内核晶振的频率（用于CPU），HCLK用于液晶，内存等高速设备（用于AHB总线设备）,UEXTCLK是外接的时钟，用于UART
在2440中，这几个时钟的频率如下

• FCLK <= 400MHz
• HCLK <= 136MHz
• PCLK <= 68MHz

最后如果选择了FCLK/n，那么这个n由FCLK Divider确定。
规则比较复杂：

• UCON2[15] 是使能位，决定是否允许FCLK/n作为时钟源
• n的确定
  
  • n = 7 ~ 21
    
    • n = divider + 6, divider = UCON0[15:12]
  • n = 22 ~ 36
    
    • n = divider + 21, divider = UCON1[15:12]
  • n = 37 ~ 43
    
    • n = divider + 36, divider = UCON2[14:12]
  • n = 44
    
    • UCON0[15:12], UCON1[15:12], UCON2[14:12]都是0

5. FIFO配置（UFCONn寄存器），FIFO状态（UFSTATn）
见下图，含义比较明显，不赘述。可以使用FIFIO队列，也可以不使用。本篇的实例就没有使用FIFO

6. 流量控制（UMCONn），流量状态（UMSTATn）
本篇不涉及。 7. 发送/接收状态（UTRSTATn）

记录这3个状态信息

• 接收缓冲数据就绪，接收到数据时，自动被设置为1
  
  • 0 空
  • 1 接收到数据
• 发送缓冲为空， 发送缓冲区内没有数据时，自动设为1
  
  • 0 缓冲不为空
  • 1 空
• 发送器空， 发送缓冲区中没有数据，并且最后一个数据也发送出去了，自动设为1
  
  • 0 非空
  • 1 空

8. 错误状态（UERSTATn）

4种错误，见表格。
读取这个寄存器时，会自动清0。 9. 发送缓冲寄存器（UTXHn）

CPU将数据写入这个寄存器，UART会立即将它保存到缓冲区中，并自动发送。 10. 接收缓冲寄存器（URXHn）

UART接收到数据时，CPU读取这个寄存器，就可以获得数据。

11.2 UART操作实例

在串口上接收一个字符，然后ASCII + 1，从串口输出

1. UART初始化

#include "s3c24xx.h" #include "serial.h" #define TXD0READY (1<<2) #define RXD0READY (1) #define PCLK 50000000 // init.c中的clock_init函数设置PCLK为50MHz #define UART_CLK PCLK // UART0的时钟源设为PCLK #define UART_BAUD_RATE 115200 // 波特率 #define UART_BRD ((UART_CLK / (UART_BAUD_RATE * 16)) - 1) /* * 初始化UART0 * 115200,8N1,无流控 */ void uart0_init(void) { GPHCON |= 0xa0; // GPH2,GPH3用作TXD0,RXD0 GPHUP = 0x0c; // GPH2,GPH3内部上拉 ULCON0 = 0x03; // 8N1(8个数据位，无较验，1个停止位) UCON0 = 0x05; // 查询方式，UART时钟源为PCLK UFCON0 = 0x00; // 不使用FIFO UMCON0 = 0x00; // 不使用流控 UBRDIV0 = UART_BRD; // 波特率为115200 }

2. 发送字符函数

/* * 发送一个字符 */ void putc(unsigned char c) { /* 等待，直到发送缓冲区中的数据已经全部发送出去 */ while (!(UTRSTAT0 & TXD0READY)); /* 向UTXH0寄存器中写入数据，UART即自动将它发送出去 */ UTXH0 = c; }

3. 接收字符函数

/* * 接收字符 */ unsigned char getc(void) { /* 等待，直到接收缓冲区中的有数据 */ while (!(UTRSTAT0 & RXD0READY)); /* 直接读取URXH0寄存器，即可获得接收到的数据 */ return URXH0; }

4. 主函数

#include "serial.h" int main() { unsigned char c; uart0_init(); // 波特率115200，8N1(8个数据位，无校验位，1个停止位) while(1) { // 从串口接收数据后，判断其是否数字或子母，若是则加1后输出 c = getc(); if (isDigit(c) || isLetter(c)) putc(c+1); } return 0; }