通用异步收发器UART

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《嵌入式Linux应用完全开发手册》第2篇第11章总结归纳

本章目标

  1. 了解UART的原理
  2. 掌握S3C2410/S3C2440中UART的使用

UART原理以及UART部件使用方法

UART原理说明

通用异步收发器简称UART（Universal Asynchronous Reciver Transmitter），它用来传输串行数据。发送数据时，CPU将并行数据写入UART，UART按照一定的格式在一根电线上发出；接收数据时，UART检测另一根电线上的信号，将串行收集放在缓冲区中，CPU即可读取UART获得这些数据。UART之间以全双工方式传输数据，最精简的连线方法只有三根电线，TxD用于发送数据，RxD用于接收数据，GnD用于给双方提供参考电平。
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UART使用标准的TTL/CMOS逻辑电平（0-5V、0-3.3V、0-2.5V、0-1.8V）来表示数据，高电平表示1，低电平表示0。为了增强数据的抗干扰能力、提高传输长度，通常将TTL/CMOS逻辑电平转换为RS-232逻辑电平，312V表示0，-3-12V表示1。
TxD、RxD数据线以“位”为最小单位传输数据。帧（Frame）由具有完整意义、不可分割的若干位组成，它包含开始位、数据位、校验位（需要的话）和停止位。发送数据之前，UART之间要约定好数据的传输速率（即每位所占据的时间，其倒数称为波特率）、数据的传输格式（即有多少个数据位、是否使用校验位、奇校验还是偶校验、有多少个停止位）。
数据传输流程如下：

  1. 平时数据线处于空闭状态（1状态）。
  2. 当要发送数据时，UART改变TxD数据线的状态（变为0状态），并维持1位的时间，这样接收方检测到开始位之后，再等待1.5位的时间就开始一位一位检测数据线的状态得到所传输的数据。
  3. UART一帧中可以有5、6、7或8位得数据，发送方一位一位地改变数据线的状态将它们发送出去，首先发送最低位。
  4. 如果使用校验功能，UART在发送完数据位之后，还要发送一个校验位。有两种校验方法：奇校验、偶校验—数据位连同校验位中“1”的数目等于奇数还是偶数。
  5. 最后，发送停止位，数据线恢复到空闭状态（1状态）。停止位的长度有3种：1位、1.5位、2位。

下图演示了UART使用7个数据位、偶校验、2个停止位的格式传输字符’A‘（二进制格式为0b1000001）时，TTL/CMOS逻辑电平、RS232逻辑电平对应的波形。
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S3C2410/S3C2440 UART的特性

S3C2410/S3C2440 中UART的特性相似，有3个独立的通道，每个通道都可以工作于中断模式或DMA模式，即UART可以发出中断或DMA请求以便在CPU、UART之间传输数据。S3C2410/S3C2440 UART由波特率发生器、发送器、接收器和控制逻辑组成。
使用系统时钟时，S3C2410的UART波特率可以达到230.4Kbit/s，S3C2440则可以达到115.2Kbit/s；如果使用UEXTCLK引脚提供的外部时钟，则可以达到更高的波特率。波特率可以通过编程控制。
S3C2410 UART的每个控制通道都有16字节的发送FIFO和16字节的接收FIFO，S3C2440 UART的FIFO深度为64。发送数据时，CPU先将数据写入发送FIFO中，然后UART控制器会自动将FIFO中的数据复制到“发送移位器（Transmit Shifter）”中，发送移位器将数据一位一位的发送到TxD数据线上。接收数据时，“接收移位器（Receive Shifter）”，将RxD数据线上的数据一位一位的接收进来，然后复制到接收FIFO中，CPU即可从中读取数据。
S3C2410/S3C2440 UART的每个通道支持的停止位有1位、2位，数据位有5、6、7或8位，支持校验功能，另外还有红外发送/接收功能。
S3C2410/S3C2440 UART结构如下图所示：
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S3C2410/S3C2440 UART的使用

在使用UART之前需要设置波特率、传输格式；对于S3C2410/S3C2440，还要选择所涉及管脚为UART功能，选择UART通道的工作模式为中断模式还是DMA模式。设置好之后，往某个寄存器写入数据即可发送。可以通过查询状态寄存器或设置中断来获知数据是否已经发送完毕、是否已经接收到数据。

将所涉及的UART通道管脚设为UART功能

比如UART通道0中，GPH2、GPH3分别用作TXD0、RXD0，要使用UART通道0时，先设置GPHCON寄存器将GPH2、GPH3引脚的功能设为TXD0、RXD0。

UBRDIVn寄存器（UART BAUD RATE DIVISOR）：设置波特率

S3C2410 UART的时钟源有两种选择：PCLK、UEXTCLK；S3C2440的时钟源有三种选择：PCLK、UEXTCLK、FCLK/n，其中n通过UCON0UCON2联合设置。
根据给定的波特率、所选择的时钟源的频率，可以通过以下公式计算UBRDIVn寄存器（n为02，对应3个UART通道）。

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UBRDIVn = (int)(UART clock/(baud rate x 16)) - 1

上述公式计算出来的UBRDIVn寄存器值不一定是整数，只要误差在1.87%之内即可。误差计算公式如下：

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tUPCLK = (UBRDIVn + 1) x 16 x 1Frame / (UART clock)     //tUPCLK 实际的UART时钟
tUEXACT = 1Frame / baud rate                            //tUEXACT 理论的UART时钟
UART error = (tUPCLK - tUEXACT) / tUEXACT x 100%        //误差

ULCONn寄存器（UART LINE CONTROL）：设置传输格式

ULCONn寄存器（n为0~2）格式如下表所示：

功能 位 说明
数据位宽度 [1:0] 0b00：5位
0b01：6位
0b10：7位
0b11：8位
停止位宽度 [2] 0：一帧中有一个停止位
1：一帧中有两个停止位
校验模式 [5:3] 设置校验位的产生方法、检验方法:
0b0xx：无校验
0b100：奇校验
0b101：偶校验
0b110：发送数据时强制设为1，接收数据时检查是否为1
0b111：发送数据时强制设为0，接收数据时检查是否为0
红外模式 [6] 0：正常模式
1：红外模式

UART通道被设为红外模式时，其串行数据的波形与正常模式稍有不同。

ULCONn寄存器（UART CONTROL）

ULCONn寄存器用于选择UART时钟源、设置UART中断方式等。S3C2410 UART的时钟源有两种选择：PCLK、UEXTCLK；S3C2440的时钟源有三种选择：PCLK、UEXTCLK、FCLK/n。所以在时钟源的选择与设置方面稍有不同。
S3C2410的ULCONn寄存器格式如下表所示：

功能 位 说明
接收模式 [1:0] 选择如何从UART接收缓冲区中读取数据。
0b00：禁止接收数据
0b01：中断方式或者查询方式
0b10：DMA0请求（UART0） DMA3请求（UART2）
0b11：DMA1请求（UART1）
发送模式 [3:2] 选择如何将数据发送到UART发送缓存区。
0b00：禁止发送数据
0b01：中断方式或者查询方式
0b10：DMA0请求（UART0） DMA3请求（UART2）
0b11：DMA1请求（UART1）
自环模式 [5] 自环模式就是将TxDn和RxDn在内部相连，用于自发自收。
0：正常模式 1：自环模式
接收错误状态中断使能 [6] 用于使能当发生错误时（帧错误、溢出）时，产生中断。
0：出错时不产生中断
1：出错时产生中断
接收超时使能 [7] 当使用UART FIFO时，用于使能/禁止接收超时的中断。
0=禁止 1=使能
接收中断方式 [8] 如下情况发生时，将产生接收中断。
不使用FIFO时，接收到一个数据；
使用FIFO时，FIFO中的数据达到RxFIFO的触发阈值。
中断方式如下设置。
0：脉冲
1：电平
发送中断方式 [9] 如下情况发生时，将产生发送中断。
不使用FIFO时，发送缓冲区变空；
使用FIFO时，FIFO中的数据达到TxFIFO的触发阈值。
中断方式如下设置。
0：脉冲
1：电平
时钟选择 [10] 选择UART时钟源。
0：PCLK
UEXTCLK

S3C2440的UCONn寄存器在UART时钟的选择方面与S3C2410有所不同，从位[10]往上的位含义不一样，并且原来的位[4]用于选择是否发出“break”信号，这些位的含义如下表所示：

功能 位 说明
“break”信号 [4] 设置此位时，UART会在一帧的时间内发出一个“break”信号。
0：正常发送 1：发出“break”信号
时钟选择 [11:10] 选择UART时钟源。
0b00/0b10：PCLK
0b01：UEXTVLK
0b11：FCLK/n
FCLK分频率系数 [15:12] 用来设置“FCLK/n”中的n值

ULCON0、ULCON1、ULCON2这3个寄存器的位[15:12]一起用来确定n值，它们的意义如下。

  1. ULCON2[15]：“FCLK/n”使能位。
    它等于0时，禁止使用“FCLK/n”作为UART时钟源；等于1时，可以用作UART时钟源。
  2. n值的设置。
    ULCON0[15:12]、ULCON1[15:12]、ULCON2[14:12]三者用于设置n值，当其中一个被设置为非0值时，其他两个必须为0。
    1. n值处于7~12时，UART时钟=FCLK/（divider + 6），divider为ULCON0[15:12]的值，大于0。
    2. n值处于22~36时，UART时钟=FCLK/（divider + 21），divider为ULCON1[15:12]的值，大于0。
    3. n值处于37~43时，UART时钟=FCLK/（divider + 36），divider为ULCON2[14:12]的值，大于0。
    4. ULCON0[15:12]、ULCON1[15:12]、ULCON2[14:12]都等于0时，UART时钟：FCLK/44。

UFCONn寄存器（UART FIFO CONTROL）、UFSTATn寄存器（UART FIFO STATUS）

UFCONn寄存器用于设置是否使用FIFO，设置各FIFO的触发阈值，即发送FIFO中有多少个数据产生中断、接收FIFO中有多少个数据产生中断。并可以通过设置UFCONn寄存器来复位各个FIFO。
读取UFSTATn寄存器可以知道各个FIFO是否已经满、其中有多少个数据。
不适用FIFO时，可以认为FIFO的深度是1，使用FIFO时，S3C2410的FIFO深度是16，S3C2440的深度是64。

UMCONn寄存器（UART MODEM CONTROL）、UMSTATn寄存器（UART MODEM STATUS）

这两类寄存器用于流量控制。

UTRSTATn寄存器（UART TX/RX STATUS）

UTRSTATn寄存器用来表明数据是否已经发送完毕、是否已经接收到数据。格式如下表所示。缓冲区其实就是FIFO，只不过不适用FIFO时，FIFO的深度为1。

功能 位 说明
接收缓冲区数据就绪 [0] 当接收到数据时，此位被自动设为1
发送缓冲区空 [1] 当发送缓冲区没有数据时，此位被自动设为1
发送器空 [2] 当发送缓冲区中没有数据，并且最后一个数据也已经发送出去，此位被自动设为1

UERSTATn寄存器（UART ERROR STATUS）

用来表示各种错误是否发生，位[0]~位[3]为1时分别表示溢出错误、校验错误、帧错误、检测到“break”信号。读取这个寄存器时，它会自动清0。
需要注意的是，接收数据时如果使用FIFO，则UART内部会使用一个“错误FIFO”来表明接收FIFO中哪个数据在接收过程中发生了错误。CPU只有在读出这个错误的数据时，才会察觉到发生了错误。要想清除“错误FIFO”，则必须读出错误的数据，并读出UERSTATn寄存器。

UTXHn寄存器（UART TRANSMIT BUFFER REGISTER）

CPU将数据写入这个寄存器，UART即会将它保存到缓冲区，并自动发送出去。

URXHn寄存器（UART RECEIVER BUFFER REGISTER）

当UART接收到数据，CPU读取这个寄存器，即可获得数据。

UART操作实例

代码详解

本示例代码的目的是在串口上输出一串字符，单板接收到后将它的ASCII码加1后从串口输出。
首先设置MPLL提高系统时钟，令PCLK为50MHz，UART将选择PCLK为时钟源。将代码复制到SDRAM中之后，调用main函数。重点在于UART0的初始化、收发数据，这由3个函数来实现：uart0_init、getc和putc。

UART初始化

uart0_init函数代码如下：

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#define PCLK                        50000000            //init.c中的clock_init函数设置PCLK为50MHz
#define UART_CLK                    PCLK                //UART0的时钟源设置为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;                     //波特率为115200，数据格式为：8个数据位、没有流控、1个停止位
    UCON0   = 0x05;                     //查询方式，UART时钟源位PLCK
    UFCON0  = 0x00;                     //不使用FIFO
    UMCON0  = 0x00;                     //不使用流控
    UBRDIV0 = UART_BRD;                 //波特率位115200
}

发送字符的函数

本实例不使用FIFO，发送字符前，首先判断上一个字符是否已经被发送出去。如果没有，则不断查询UTRSTAT0寄存器的位[2]，当它为1时表示已经发送完毕。于是，即可向UTXH0寄存器中写入当前要发送的字符。代码如下（宏TXD0READY被定义为（1 << 2））:

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/*
发送一个字符
*/
void putc(unsigned char c)
{
    //等待，直到发送缓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;
}

接收字符的函数

试图读取数据前，先查询UTRSTAT0寄存器的位[1]，当它为1时表示接收缓冲区有数据，于是，即可读取URXH0得到数据。

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/*
接收一个字符
*/

unsigned char getc(void)
{
    //等待，直到接收缓存区有数据
    while(!(UTRSTAT0 & RXD0READY));

    //直接读取URXH0寄存器，即可获得接收到的数据
    return URXH0;
}

主函数

在main函数中，初始化UART0之后，即不断读取串口数据，并判断它是否为数字或字母。如果是的话，就将它加1后从串口输出。

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#include "serial.h"

int main(void)
{
    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)
    {
        //从串口接收到数据之后，判断其是否为数字或字母，若是则加1后输出
        c = getc();
        if(isDigital(c) || isLetter(c))
            putc(c+1);
    }

    return 0;
}

测试方式

首先使用串口将开发板的COM0和PC的串口相连，打开PC上的串口工具（推荐使用SecureCRT），设置其波特率为115200、8N1（8个数据位，无校验位，1个停止位）。然后将编译生成的uart.bin文件烧入NAND Flash后上电运行。最后在PC上的串口工具中输入数字或者字母，可以看到输出另一个字符（加1）；如果输入其他字符，则无输出。