UART的原理以及驅(qū)動程序如何編寫

前言

Uart在一個嵌入式系統(tǒng)中是一個非常重要的模塊，他承擔(dān)了CPU與用戶交互的橋梁。用戶輸入信息給程序、CPU要打印一些信息給終端都要依賴UART。

本文將以Exynos4412的UART控制器為基礎(chǔ)，講解UART的原理以及驅(qū)動程序如何編寫。

UART是什么

UART是通用異步收發(fā)傳輸器（Universal Asynchronous Receiver/Transmitter)，通常稱作UART，是一種異步收發(fā)傳輸器,是設(shè)備間進(jìn)行異步通信的關(guān)鍵模塊。UART負(fù)責(zé)處理數(shù)據(jù)總線和串行口之間的串/并、并/串轉(zhuǎn)換，并規(guī)定了幀格式；通信雙方只要采用相同的幀格式和波特率，就能在未共享時鐘信號的情況下，僅用兩根信號線（Rx 和Tx）就可以完成通信過程，因此也稱為異步串行通信。UART總線雙向通信，可以實(shí)現(xiàn)全雙工傳輸和接收。在嵌入式設(shè)計(jì)中，UART用于主機(jī)與輔助設(shè)備通信，如汽車音響與外接AP之間的通信，與PC機(jī)通信包括與監(jiān)控調(diào)試器和其它器件，如EEPROM通信。

通常需要加入一個合適的電平轉(zhuǎn)換器，如SP3232E、SP3485，UART還能用于RS-232、RS-485 通信，或與計(jì)算機(jī)的端口連接。UART 應(yīng)用非常廣泛，手機(jī)、工業(yè)控制、PC 等應(yīng)用中都要用到UART。

UART通信方式

UART使用的是 異步，串行通信方式。

串行通信

串行通信是指利用一條傳輸線將資料一位位地順序傳送。好比是一列縱隊(duì)，每個數(shù)據(jù)元素依次縱向排列。如下圖所示，傳輸時一個比特一個比特的串行傳輸，每個時鐘周期傳輸一個比特，這種傳輸方式相對比較簡單，速度較慢，但是使用總線數(shù)較少，通常一根接收線，一根發(fā)送線即可實(shí)現(xiàn)串行通信。

它的缺點(diǎn)是要增加額外的數(shù)據(jù)來控制一個數(shù)據(jù)幀的開始和結(jié)束。特點(diǎn)是通信線路簡單，利用簡單的線纜就可實(shí)現(xiàn)通信，降低成本，適用于遠(yuǎn)距離通信，但傳輸速度慢的應(yīng)用場合。

并行通信

并行通信好比一排橫隊(duì)，齊頭并進(jìn)同時傳輸。這種通信方式每個時鐘周期傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量和其總線寬度成正比，但是實(shí)現(xiàn)較為復(fù)雜。

異步通信

異步通信以一個字符為傳輸單位，通信中兩個字符間的時間間隔多少是不固定的，然而在同一個字符中的兩個相鄰位間的時間間隔是固定的。

在異步通信技術(shù)中，數(shù)據(jù)發(fā)送方和數(shù)據(jù)接收方?jīng)]有同步時鐘，只有數(shù)據(jù)信號線，只不過發(fā)送端和接收端會按照協(xié)商好的協(xié)議（固定頻率）來進(jìn)行數(shù)據(jù)采樣。數(shù)據(jù)發(fā)送方以每秒鐘57600bits的速度發(fā)送數(shù)據(jù)，接收方也以57600bits的速度去接收數(shù)據(jù)，這樣就可以保證數(shù)據(jù)的有效和正確。通常異步通信中使用波特率（Baud-Rate）來規(guī)定雙方傳輸速度，其單位為bps（bits per second每秒傳輸位數(shù)）。

同步通信

在發(fā)送數(shù)據(jù)信號的時候，會同時送出一根同步時鐘信號， 用來同步發(fā)送方和接收方的數(shù)據(jù)采樣頻率。如下圖所示，同步通信時，信號線1是一根同步時鐘信號線，以固定的頻率進(jìn)行電平的切換，其頻率周期為t，在每個電平的上升沿之后進(jìn)行對同步送出的數(shù)據(jù)信號線2進(jìn)行采樣（高電平代表1，低電平代表0），根據(jù)采樣數(shù)據(jù)電平高低取得輸出數(shù)據(jù)信息。如果雙方?jīng)]有同步時鐘的話，那么接收方就不知道采樣周期，也就不能正常的取得數(shù)據(jù)信息。

幀格式

數(shù)據(jù)傳送速率用波特率來表示，即每秒鐘傳送的二進(jìn)制位數(shù)。例如數(shù)據(jù)傳送速率為120字符/秒，而每一個字符為10位（1個起始位，7個數(shù)據(jù)位，1個校驗(yàn)位，1個結(jié)束位），則其傳送的波特率為10×120＝1200字符/秒＝1200波特。數(shù)據(jù)通信格式如下圖：

其中各位的意義如下：

起始位：先發(fā)出一個邏輯”0”信號，表示傳輸字符的開始。*數(shù)據(jù)位：可以是5~8位邏輯”0”或”1”。如ASCII碼（7位），擴(kuò)展BCD碼（8位）。小端傳輸 *校驗(yàn)位：數(shù)據(jù)位加上這一位后，使得“1”的位數(shù)應(yīng)為偶數(shù)(偶校驗(yàn))或奇數(shù)(奇校驗(yàn)) *停止位：它是一個字符數(shù)據(jù)的結(jié)束標(biāo)志。可以是1位、1.5位、2位的高電平。*空閑位：處于邏輯“1”狀態(tài)，表示當(dāng)前線路上沒有資料傳送。

注：異步通信是按字符傳輸?shù)?，接收設(shè)備在收到起始信號之后只要在一個字符的傳輸時間內(nèi)能和發(fā)送設(shè)備保持同步就能正確接收。下一個字符起始位的到來又使同步重新校準(zhǔn)（依靠檢測起始位來實(shí)現(xiàn)發(fā)送與接收方的時鐘自同步的）

關(guān)于RS-232、RS-422、RS-485等標(biāo)準(zhǔn)，大家可以參考文章《一篇文章了解什么是串口，UART、RS-232、RS-422、RS-485 》

Exynos4412 Uart

本文討論UART 是基于Cortex-A9架構(gòu)的Exynos4412 為例。

特性

Exynos4412 中UART，有4 個獨(dú)立的通道，每個通道都可以工作于中斷模式或DMA 模式，即UART 可以發(fā)出中斷或 DMA 請求以便在UART 、CPU 間傳輸數(shù)據(jù)。使用系統(tǒng)時鐘時，Exynos4412 的 UART 波特率可以達(dá)到 4Mbps 。每個UART通道包含兩個FIFO用來接收和發(fā)送：

通道 0有 256 字節(jié)的發(fā)送 FIFO 和 256 字節(jié)的接收FIFO

通道 1、4有 64 字節(jié)的發(fā)送 FIFO 和 64 字節(jié)的接收FIFO

通道 2、3有 16 字節(jié)的發(fā)送FIFO 和 16 字節(jié) 的接收 FIFO 。

UART include:

波特率可以通過編程進(jìn)行 。

紅外接收/發(fā)送

每個通道支持停止位有 1位、 2位

數(shù)據(jù)位有 5、6、7或 8位

每個UART還包括

波特率發(fā)生器、發(fā)送器、接收器、控制邏輯組成。

Uart控制器

功能模塊

每個UART包含一個波特率產(chǎn)生器，發(fā)送器，接收器和一個控制單元，如上圖所示：

發(fā)送數(shù)據(jù) CPU 先將數(shù)據(jù)寫入發(fā)送FIFO 中，然后 UART 會自動將FIFO 中的數(shù)據(jù)復(fù)制到“發(fā)送移位器” (Transmit Shifter )中，發(fā)送移位器將數(shù)據(jù)一位一位地發(fā)送到 TxDn 數(shù)據(jù)線上 (根據(jù)設(shè)定的格式，插入開始位 、較驗(yàn)和停止)。

接收數(shù)據(jù) “移位器” (Receive Shifter )將 RxDn 數(shù)據(jù)線上的數(shù)據(jù)一位一位的接收進(jìn)來，然后復(fù)制到FIFO 中， CPU即可從中讀取數(shù)據(jù)。

UART是以異步方式實(shí)現(xiàn)通信的，其采樣速度由波特率決定，波特率產(chǎn)生器的工作頻率可以由PCLK（外圍設(shè)備頻率），F(xiàn)CLK/n（CPU工作頻率的分頻），UEXTCLK（外部輸入時鐘）三個時鐘作為輸入頻率，波特率設(shè)置寄存器是可編程的，用戶可以設(shè)置其波特率決定發(fā)送和接收的頻率。發(fā)送器和接收器包含了64Byte的FIFO和數(shù)據(jù)移位器。UART通信是面向字節(jié)流的，待發(fā)送數(shù)據(jù)寫到FIFO之后，被拷貝到數(shù)據(jù)移位器（1字節(jié)大?。├?，數(shù)據(jù)通過發(fā)送數(shù)據(jù)管腳TXDn發(fā)出。同樣道理，接收數(shù)據(jù)通過RXDn管腳來接收數(shù)據(jù)（1字節(jié)大小）到接收移位器，然后將其拷貝到FIFO接收緩沖區(qū)里。（1）數(shù)據(jù)發(fā)送 發(fā)送的數(shù)據(jù)幀可編程的，它的一個幀長度是用戶指定的，它包括一個開始位，5~8個數(shù)據(jù)位，一個可選的奇偶校驗(yàn)位和1~2個停止位，數(shù)據(jù)幀格式可以通過設(shè)置ULCONn寄存器來設(shè)置。發(fā)送器也可以產(chǎn)生一個終止信號，它是由一個全部為0的數(shù)據(jù)幀組成。在當(dāng)前發(fā)送數(shù)據(jù)被完全傳輸完以后，該模塊發(fā)送一個終止信號。在終止信號發(fā)送后，它可以繼續(xù)通過FIFO（FIFO）或發(fā)送保持寄存器（NON-FIFO）發(fā)送數(shù)據(jù)。（2）數(shù)據(jù)接收 同樣接收端的數(shù)據(jù)也是可編程的，接收器可以偵測到溢出錯誤奇偶校驗(yàn)錯誤，幀錯誤和終止條件，每個錯誤都可以設(shè)置一個錯誤標(biāo)志。? 溢出錯誤 ：在舊數(shù)據(jù)被讀取到之前，新數(shù)據(jù)覆蓋了舊數(shù)據(jù) ? 奇偶校驗(yàn)錯誤：接收器偵測到了接收數(shù)據(jù)校驗(yàn)結(jié)果失敗，接收數(shù)據(jù)無效 ? 幀錯誤 ：接收到的數(shù)據(jù)沒有一個有效的停止位，無法判定數(shù)據(jù)幀結(jié)束 ? 終止條件 ：RxDn接收到保持邏輯0狀態(tài)持續(xù)長于一個數(shù)據(jù)幀的傳輸時間

（3）自動流控AFC（Auto Float Control） UART0和UART1支持有nRTS和nCTS的自動流控。在AFC情況下，通信雙方nRTS和nCTS管腳分別連接對方的nCTS和nRTS管腳。通過軟件控制數(shù)據(jù)幀的發(fā)送和接收。在開啟AFC時，發(fā)送端接收發(fā)送前要判斷nCTS信號狀態(tài)，當(dāng)接收到nCTS激活信號時，發(fā)送數(shù)據(jù)幀。該nCTS管腳連接對方nRTS管腳。接收端在準(zhǔn)備接收數(shù)據(jù)幀前，其接收器FIFO有大于32個字節(jié)的空閑空間，nRTS管腳會發(fā)送激活信號，當(dāng)其接收FIFO小于32個字節(jié)的空閑空間，nRTS必須置非激活狀態(tài)。

選擇時鐘源

Exynos4412 UART的時鐘源有八種選擇：XXTI 、XusbXTI 、SCLK_HDMI24M 、SCLK_USBPHY0 、 SCLK_HDMIPHY 、SCLKMPLL_USER_T 、SCLKEPLL 、SCLKVPLL ，由 CLK_SRC_PERIL0 寄存器控制。選擇好時鐘源后，還可以通過 DIVUART0 ～4設(shè)置分頻系數(shù)，由 CLK_DIV_PERIL0 寄存器控制。從分頻器得到的時鐘被稱為SCLK UART 。SCLK UART 經(jīng)過上圖中的“ UCLK Generator”后，得到UCLK ，它的頻率就是UART 的波特率?！?Generator UCLK Generator ”通過這 2個寄存器來設(shè)置：UBRDIVn(UART BAUD RATE DIVISOR) 、UFRACVALn 。

UART配置寄存器

ULCONn

bite [6] 紅外模式 選擇串口0是否使用紅外模式：0 = 正常通信模式 1 = 紅外通信模式

bite [5:3] 校驗(yàn)?zāi)Ｊ?設(shè)置串口0在數(shù)據(jù)接收和發(fā)送時采用的校驗(yàn)方式：0xx = 無校驗(yàn) 100 = 奇校驗(yàn) 101 = 偶校驗(yàn) 110 = 強(qiáng)制校驗(yàn)/檢測是否為1 111 = 強(qiáng)制校驗(yàn)/檢測是否為0

[2] 停止位 設(shè)置串口0停止位數(shù)：0 = 每個數(shù)據(jù)幀一個停止位 1 = 每個數(shù)據(jù)幀二個停止位

[1:0] 數(shù)據(jù)位 設(shè)置串口0數(shù)據(jù)位數(shù)：00 = 5個數(shù)據(jù)位 01 = 6個數(shù)據(jù)位 10 = 7個數(shù)據(jù)位 11 = 8個數(shù)據(jù)位

該寄存器我們通用的配置是：

ULCON2=0x3;//Normalmode,Noparity,Onestopbit,8databits

UCONn

[15:12]FCLK分頻因子當(dāng)UART0選擇FCLK作為時鐘源時，設(shè)置其FCLK的分頻因子 UART0 工作時鐘頻率 = FCLK/ FCLK分頻因子 + 6

[11:10] UART時鐘源選擇 選擇UART0的工作時鐘PCLK，UEXTCLK，F(xiàn)CLK/n：00,10 = PCLK 01 = UEXTCLK 11 = FCLK/n 當(dāng)選擇FCLK/n作為UART0工作時鐘時還要做其它設(shè)置，具體請讀者自行查看硬件手冊

[9] 發(fā)送數(shù)據(jù)中斷產(chǎn)生類型 設(shè)置UART0中斷請求類型，在非FIFO傳輸模式下，一旦發(fā)送數(shù)據(jù)緩沖區(qū)為空，立即產(chǎn)生中斷信號，在FIFO傳輸模式下達(dá)到發(fā)送數(shù)據(jù)觸發(fā)條件時立即產(chǎn)生中斷信號：0 = 脈沖觸發(fā) 1 = 電平觸發(fā)

[8] 接收數(shù)據(jù)中斷產(chǎn)生類型 設(shè)置UART0中斷請求類型，在非FIFO傳輸模式下，一旦接收到數(shù)據(jù)，立即產(chǎn)生中斷信號，在FIFO傳輸模式下達(dá)到接收數(shù)據(jù)觸發(fā)條件時立即產(chǎn)生中斷信號：0 = 脈沖觸發(fā) 1 = 電平觸發(fā)

[7] 接收數(shù)據(jù)超時 設(shè)置當(dāng)接收數(shù)據(jù)時，如果數(shù)據(jù)超時，是否產(chǎn)生接收中斷：0 = 不開啟超時中斷 1 = 開啟超時中斷 10 = 7個數(shù)據(jù)位 11 = 8個數(shù)據(jù)位

[6] 接收數(shù)據(jù)錯誤中斷 設(shè)置當(dāng)接收數(shù)據(jù)時，如果產(chǎn)生異常，如傳輸中止，幀錯誤，校驗(yàn)錯誤時，是否產(chǎn)生接收狀態(tài)中斷信號：0 = 不產(chǎn)生錯誤狀態(tài)中斷 1 = 產(chǎn)生錯誤狀態(tài)中斷

[5] 回送模式 設(shè)置該位時UART會進(jìn)入回送模式，該模式僅用于測試 0 = 正常模式 1 = 回送模式

[4] 發(fā)送終止信號 設(shè)置該位時，UART會發(fā)送一個幀長度的終止信號，發(fā)送完畢后，該位自動恢復(fù)為0 0 = 正常傳輸 1 = 發(fā)送終止信號

[3:2] 發(fā)送模式 設(shè)置采用哪個方式執(zhí)行數(shù)據(jù)寫入發(fā)送緩沖區(qū) 00 = 無效 01 = 中斷請求或查詢模式 10 = DMA0請求

[1:0] 接收模式 設(shè)置采用哪個方式執(zhí)行數(shù)據(jù)寫入接收緩沖區(qū) 00 = 無效 01 = 中斷請求或查詢模式 10 = DMA0請求

該寄存器通用配置為：

UCON2=0x5;//Interruptrequestorpollingmode

一般裸機(jī)情況下，采用輪詢模式。

UTRSTATn

UTRSTAT n寄存器用來表明數(shù)據(jù)是否已經(jīng)發(fā)送完畢、是否已經(jīng)接收到數(shù)據(jù)，格式如下圖所示，上面說的“緩沖區(qū)”，其實(shí)就是下圖中的 FIFO ，不使用 FIFO 功能時可以認(rèn)為其深度為 1。當(dāng)我們讀取數(shù)據(jù)時，就輪詢檢查bit[0]置1之后，然后再從URXHn寄存器讀取數(shù)據(jù)；當(dāng)我們讀取數(shù)據(jù)時，就輪詢檢查bit[1]置1之后，然后再向UTXHn寄存器寫入數(shù)據(jù)來發(fā)送數(shù)據(jù)；

UTXHn寄存器(UART TRANSMIT BUFFER REGISTER)

CPU 將數(shù)據(jù)寫入這個寄存器， UART即會將它保存到緩沖區(qū)中，并自動發(fā)送出去。

URXHn寄存器(UART RECEIVE BUFFER REGISTER)

當(dāng) UART 接收到數(shù)據(jù)時，讀取這個寄存器，即可獲得數(shù)據(jù)。

UFRACVALn 計(jì)算波特率

根據(jù)給定的波特率、所選擇時鐘源頻率，可以通過以下公式計(jì)算 UBRDIVn 寄存器 (n 為 0～4，對應(yīng) 5個 UART 通道 )的值。

UBRDIVn=(int)(UARTclock/(buadratex16))–1

上式計(jì)算出來的 UBRDIVn 寄存器值不一定是整數(shù)， UBRDIVn 寄存器取其整數(shù)部分，小部分由 UFRACVALn 寄存器設(shè)置， UFRACVALn 寄存器的引入，使產(chǎn)生波特率更加精確?！九e例】當(dāng)UART clock為100MHz時，要求波特率為115200 bps，則：

100000000/(115200x16)–1=54.25–1=53.25 UBRDIVn=整數(shù)部分=53 UFRACVALn/16=小數(shù)部分=0.25 UFRACVALn=4

電路圖

外設(shè)電路圖：

SP3232EEA 用來將TTL電平轉(zhuǎn)換成RS232電平。我們使用的是COM2。

外設(shè)與核心板連接電路圖

可見UART的收發(fā)引腳連接到了GPA上，打開exynos4412芯片手冊：

我們只需要將GPA1 的低8位設(shè)置為0x22。

實(shí)例代碼

裸機(jī)代碼，主要實(shí)現(xiàn)uart_init（）、putc（）、getc（）這三個函數(shù)。

uart_init（）

該函數(shù)主要配置UART的，波特率115200，數(shù)據(jù)位：8，奇偶校驗(yàn)位：0，終止位：1，不設(shè)置流控。如下圖：是運(yùn)行在windows下常用的串口工具配置信息，配置信息必須完全一致。

putc（）

該函數(shù)是向串口發(fā)送一個數(shù)據(jù)data，他的實(shí)現(xiàn)邏輯就是輪詢檢查寄存器UART2.UTRSTAT2 ，判斷其bite【1】是否置1，如果置1，則向UART2.UTXH2存入要發(fā)送的數(shù)據(jù)即可。

getc（）

該函數(shù)是從串口接收一個數(shù)據(jù)data，他的實(shí)現(xiàn)邏輯就是輪詢檢查寄存器UART2.UTRSTAT2 ，判斷其bite【0】是否置1，如果置1，說明數(shù)據(jù)準(zhǔn)備好，則可以從寄存器UART2.URXH2取出數(shù)據(jù)。

/* *UART2 */ typedefstruct{ unsignedintULCON2; unsignedintUCON2; unsignedintUFCON2; unsignedintUMCON2; unsignedintUTRSTAT2; unsignedintUERSTAT2; unsignedintUFSTAT2; unsignedintUMSTAT2; unsignedintUTXH2; unsignedintURXH2; unsignedintUBRDIV2; unsignedintUFRACVAL2; unsignedintUINTP2; unsignedintUINTSP2; unsignedintUINTM2; }uart2; #defineUART2(*(volatileuart2*)0x13820000) /*GPA1*/ typedefstruct{ unsignedintCON; unsignedintDAT; unsignedintPUD; unsignedintDRV; unsignedintCONPDN; unsignedintPUDPDN; }gpa1; #defineGPA1(*(volatilegpa1*)0x11400020) voiduart_init() {/*UART2initialize*/ GPA1.CON=(GPA1.CON&~0xFF)|(0x22);//GPA1_0:RX;GPA1_1:TX UART2.ULCON2=0x3;//Normalmode,Noparity,Onestopbit,8databits UART2.UCON2=0x5;//Interruptrequestorpollingmode //Baud-rate:src_clock:100Mhz UART2.UBRDIV2=0x35; UART2.UFRACVAL2=0x4; } voidputc(constchardata) {while(!(UART2.UTRSTAT2&0X2)); UART2.UTXH2=data; if(data==) putc(); } chargetc(void) {chardata; while(!(UART2.UTRSTAT2&0x1)); data=UART2.URXH2; if((data==)||(data==)) { putc(); putc(); }else putc(data); returndata; } voidputs(constchar*pstr) {while(*pstr!=') putc(*pstr++); } voidgets(char*p) {chardata; while((data=getc())!=) {if(data==') {p--; } *p++=data; } if(data==) *p++=; *p='; }

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