uart是什么意思?认识uart串口

屈育成 2017-12-06 109677

接口/总线/驱动

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描述

　　UART串口

　　通用异步接收器和发送器（Universal Asynchronous Receiver and Transmitter）简称UART。通常是嵌入式设备中默认都会配置的通信接口。这是因为，很多嵌入式设备没有显示屏，无法获得嵌入式设备实时数据信息，通过UART串口和超级终端相连，打印嵌入式设备输出信息。并且在对嵌入式系统进行跟踪和调试时，UART串口了是必要的通信手段。比如：网络路由器，交换机等都要通过串口来进行配置。UART串口还是许多硬件数据输出的主要接口，如GPS接收器就是通过UART串口输出GPS接收数据的。

　　UART功能

　　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。

　　UART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。

　　异步通信和同步通信

　　 uart

　　图2-56同步信号与异步信号

　　同步通信技术

　　在发送数据信号的时候，会同时送出一根同步时钟信号，用来同步发送方和接收方的数据采样频率。如图2-56所示，同步通信时，信号线1是一根同步时钟信号线，以固定的频率进行电平的切换，其频率周期为t，在每个电平的上升沿之后进行对同步送出的数据信号线2进行采样（高电平代表1，低电平代表0），根据采样数据电平高低取得输出数据信息。如果双方没有同步时钟的话，那么接收方就不知道采样周期，也就不能正常的取得数据信息。

　　异步通信技术

　　在异步通信技术中，数据发送方和数据接收方没有同步时钟，只有数据信号线，只不过发送端和接收端会按照协商好的协议（固定频率）来进行数据采样。数据发送方以每秒钟57600bits的速度发送数据，接收方也以57600bits的速度去接收数据，这样就可以保证数据的有效和正确。通常异步通信中使用波特率（Baud-Rate）来规定双方传输速度，其单位为bps（bits per second每秒传输位数）。

　　数据的串行和并行通信方式

　　串行通信好比是一列纵队，每个数据元素依次纵向排列。如图2-57所示，传输时一个比特一个比特的串行传输，每个时钟周期传输一个比特，这种传输方式相对比较简单，速度较慢，但是使用总线数较少，通常一根接收线，一根发送线即可实现串行通信。它的缺点是要增加额外的数据来控制一个数据帧的开始和结束。

　　并行通信好比一排横队，齐头并进同时传输。这种通信方式每个时钟周期传输的数据量和其总线宽度成正比，但是实现较为复杂。UART通信采用的是串行方式进行通信的。

　　 uart

　　图2-57串行数据通信与并行数据通信

　　数据通信传输模式

　　在数据通信过程中，发送方和接收方为了实现数据的正确发送和接收，通常会有一个状态寄存器来描述当前数据接收和发送状态，当发送方有数据发送时，会查看发送状态寄存器，看是否允许发送数据（如果上一次数据还没有发送完毕，不允许继续数据发送），在发送允许情况下再送出新数据。同样，接收端通过查看接收状态寄存器，确定是否有新数据到达，如果有数据到达，将去接收数据缓冲区读取数据。

　　（1）轮询模式

　　通过程序执行流，不停的检测状态寄存器的结果，如果当前可发送或接收，则发送或接收数据。其过程可以用下面伪代码来表示。

　　; 轮询方式实现数据发送伪代码

　　Send（）{

　　While（1）{

　　if（发送状态 == 可发送）

　　执行数据发送操作;

　　}

　　; 轮询方式实现数据接收伪代码

　　Receive（）{

　　While（1）{

　　if（接收状态 == 有数据到达）

　　执行数据接收操作;

　　}

　　由程序可知，这种方式实现简单，但在进行数据接收和发送时都要进入循环检查状态寄存器的值，当没有数据到达或数据不可发送时，CPU会一直空转，其它程序又得不到CPU的执行权，很影响系统的效率。

　　（2）中断模式

　　中断方式是指，当数据到达或数据可发送时，产生中断，通知CPU去发送或接收数据，这种方式将通信硬件和CPU独立出来，通信硬件只有在发送或接收条件准备好之后中，才通知CPU去处理数据，在通信条件没有准备好的时候，CPU去处理其它程序，显然这种方式更合理，这种方式要求通信硬件要求比较高，需要支持产生中断信号。

　　（3）DMA模式

　　通常实现数据的转移或拷贝时，CPU将从源地址处复制数据到寄存器，然后将寄存器数据再写入目的地址处，该复制过程需要CPU来执行。S3C2440支持DMA传输模式，DMA传输是指在CPU不干涉的情况下，DMA硬件自动实现数据的转移和复制，在DMA传输过程中，CPU几乎不用干涉，这样可以让CPU安心的去做自己的事情。虽然如此，但是DMA在传输数据过程中要占用总线，在大批数据传输时，系统总线会被DMA通道占用，也会影响系统的效率。S3C2440 UART控制器支持DMA方式传输串口通信数据。

　　S3C2440 UART控制器

　　S3C2440 UART控制器，提供了三个独立的异步串行I/O端口，每个端口都可以在中断模式或DMA模式下工作，换而言之，UART可以生成中断或DMA请求用于CPU和UART之间的数据传输。UART串口挂接在APB总线上，APB总线最高可以达到50MHz工作频率，在使用APB时钟频率时可以达到最高115.2Kbps波特率的通信速度。如果UART串口接收外部设备提供UEXTCLK（外部时钟），UART可以在更高的速度下工作。每个UART串口在接收装置和发送装置里分别包含一个64Byte的FIFO缓冲区，用于缓存发送数据和接收数据。

　　由于UART是串行异步通信方式，因此在UART通信过程中每次只能传输1位（bit），若干位组成一个数据帧（frame），帧是UART通信中最基本单元，它主要包含：开始位，数据位，校验位（如果开启了数据校验，要包含校验位），和停止位，帧结构如图2-58所示。

　　 uart

　　图2-58 UART数据帧结构

　　UART在通信之前要在发送端和接收端约定好帧结构，也就是约定好传输数据帧格式。

　　开始位：必须包含在数据帧中，表示一个帧的开始。

　　数据位：可选5，6，7，8位，该位长度可由编程人员指定。

　　校验位：如果在开启了数据校验时，该位必须指定。

　　停止位：可选1，2位，该位长度可由编程人员指定。

　　通信双方约定好帧格式后，指定同一波特率，以保证双方数据传输的同步。

　　S3C2440 UART串口工作原理

　　每个UART包含一个波特率产生器，发送器，接收器和一个控制单元，如下图所示：

　　 uart

　　图2-59 UART硬件结构

　　UART是以异步方式实现通信的，其采样速度由波特率决定，波特率产生器的工作频率可以由PCLK（外围设备频率），FCLK/n（CPU工作频率的分频），UEXTCLK（外部输入时钟）三个时钟作为输入频率，波特率设置寄存器是可编程的，用户可以设置其波特率决定发送和接收的频率。发送器和接收器包含了64Byte的FIFO和数据移位器。UART通信是面向字节流的，待发送数据写到FIFO之后，被拷贝到数据移位器（1字节大小）里，数据通过发送数据管脚TXDn发出。同样道理，接收数据通过RXDn管脚来接收数据（1字节大小）到接收移位器，然后将其拷贝到FIFO接收缓冲区里。

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