UART串口

　　通用異步接收器和發送器（Universal Asynchronous Receiver and Transmitter） 簡稱UART。通常是嵌入式設備中默認都會配置的通信接口。這是因為，很多嵌入式設備沒有顯示屏，無法獲得嵌入式設備實時數據信息，通過UART串口和超級終端相連，打印嵌入式設備輸出信息。并且在對嵌入式系統進行跟蹤和調試時，UART串口了是必要的通信手段。比如：網絡路由器，交換機等都要通過串口來進行配置。UART串口還是許多硬件數據輸出的主要接口，如GPS接收器就是通過UART串口輸出GPS接收數據的。

　　UART功能

　　計算機內部采用并行數據，不能直接把數據發到Modem，必須經過UART整理才能進行異步傳輸，其過程為：CPU先把準備寫入串行設備的數據放到UART的寄存器（臨時內存塊）中，再通過FIFO（First Input First Output，先入先出隊列）傳送到串行設備，若是沒有FIFO，信息將變得雜亂無章，不可能傳送到Modem。

　　它是用于控制計算機與串行設備的芯片。有一點要注意的是，它提供了RS-232C數據終端設備接口，這樣計算機就可以和調制解調器或其它使用RS-232C接口的串行設備通信了。作為接口的一部分，UART還提供以下功能：將由計算機內部傳送過來的并行數據轉換為輸出的串行數據流。將計算機外部來的串行數據轉換為字節，供計算機內部并行數據的器件使用。在輸出的串行數據流中加入奇偶校驗位，并對從外部接收的數據流進行奇偶校驗。在輸出數據流中加入啟停標記，并從接收數據流中刪除啟停標記。處理由鍵盤或鼠標發出的中斷信號（鍵盤和鼠標也是串行設備）。可以處理計算機與外部串行設備的同步管理問題。有一些比較高檔的UART還提供輸入輸出數據的緩沖區，比較新的UART是16550，它可以在計算機需要處理數據前在其緩沖區內存儲16字節數據，而通常的UART是8250。如果您購買一個內置的調制解調器，此調制解調器內部通常就會有16550 UART。

　　UART基本結構

　　⑴輸出緩沖寄存器，它接收CPU從數據總線上送來的并行數據，并加以保存。

　　⑵ 輸出移位寄存器，它接收從輸出緩沖器送來的并行數據，以發送時鐘的速率把數據逐位移出，即將并行數據轉換為串行數據輸出。

　　⑶ 輸入移位寄存器，它以接收時鐘的速率把出現在串行數據輸入線上的數據逐位移入，當數據裝滿后，并行送往輸入緩沖寄存器，即將串行數據轉換成并行數據。

　　⑷ 輸入緩沖寄存器，它從輸入移位寄存器中接收并行數據，然后由CPU取走。

　　⑸控制寄存器，它接收CPU送來的控制字，由控制字的內容，決定通信時的傳輸方式以及數據格式等。例如采用異步方式還是同步方式，數據字符的位數，有無奇偶校驗，是奇校驗還是偶校驗，停止位的位數等參數。

　　⑹狀態寄存器。狀態寄存器中存放著接口的各種狀態信息，例如輸出緩沖區是否空，輸入字符是否準備好等。在通信過程中，當符合某種狀態時，接口中的狀態檢測邏輯將狀態寄存器的相應位置“1”，以便讓CPU查詢。

　　異步通信和同步通信

　　圖2-56同步信號與異步信號

　　同步通信技術

　　在發送數據信號的時候，會同時送出一根同步時鐘信號， 用來同步發送方和接收方的數據采樣頻率。如圖2-56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行對同步送出的數據信號線2進行采樣（高電平代表1，低電平代表0），根據采樣數據電平高低取得輸出數據信息。如果雙方沒有同步時鐘的話，那么接收方就不知道采樣周期，也就不能正常的取得數據信息。

　　異步通信技術

　　在異步通信技術中，數據發送方和數據接收方沒有同步時鐘，只有數據信號線，只不過發送端和接收端會按照協商好的協議（固定頻率）來進行數據采樣。數據發送方以每秒鐘57600bits的速度發送數據，接收方也以57600bits的速度去接收數據，這樣就可以保證數據的有效和正確。通常異步通信中使用波特率（Baud-Rate）來規定雙方傳輸速度，其單位為bps（bits per second每秒傳輸位數）。

　　數據的串行和并行通信方式

　　串行通信好比是一列縱隊，每個數據元素依次縱向排列。如圖2-57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，但是使用總線數較少，通常一根接收線，一根發送線即可實現串行通信。它的缺點是要增加額外的數據來控制一個數據幀的開始和結束。

　　并行通信好比一排橫隊，齊頭并進同時傳輸。這種通信方式每個時鐘周期傳輸的數據量和其總線寬度成正比，但是實現較為復雜。UART通信采用的是串行方式進行通信的。

　　圖2-57串行數據通信與并行數據通信

　　數據通信傳輸模式

　　在數據通信過程中，發送方和接收方為了實現數據的正確發送和接收，通常會有一個狀態寄存器來描述當前數據接收和發送狀態，當發送方有數據發送時，會查看發送狀態寄存器，看是否允許發送數據（如果上一次數據還沒有發送完畢，不允許繼續數據發送），在發送允許情況下再送出新數據。同樣，接收端通過查看接收狀態寄存器，確定是否有新數據到達，如果有數據到達，將去接收數據緩沖區讀取數據。

　　（1）輪詢模式

　　通過程序執行流，不停的檢測狀態寄存器的結果，如果當前可發送或接收，則發送或接收數據。其過程可以用下面偽代碼來表示。

　　; 輪詢方式實現數據發送偽代碼

　　Send（）{

　　While（1）{

　　if（發送狀態 == 可發送）

　　執行數據發送操作;

　　}

　　}

　　; 輪詢方式實現數據接收偽代碼

　　Receive（）{

　　While（1）{

　　if（接收狀態 == 有數據到達）

　　執行數據接收操作;

　　}

　　}

　　由程序可知，這種方式實現簡單，但在進行數據接收和發送時都要進入循環檢查狀態寄存器的值，當沒有數據到達或數據不可發送時，CPU會一直空轉，其它程序又得不到CPU的執行權，很影響系統的效率。

　　（2）中斷模式

　　中斷方式是指，當數據到達或數據可發送時，產生中斷，通知CPU去發送或接收數據，這種方式將通信硬件和CPU獨立出來，通信硬件只有在發送或接收條件準備好之后中，才通知CPU去處理數據，在通信條件沒有準備好的時候，CPU去處理其它程序，顯然這種方式更合理，這種方式要求通信硬件要求比較高，需要支持產生中斷信號。

　　（3）DMA模式

　　通常實現數據的轉移或拷貝時，CPU將從源地址處復制數據到寄存器，然后將寄存器數據再寫入目的地址處，該復制過程需要CPU來執行。S3C2440支持DMA傳輸模式，DMA傳輸是指在CPU不干涉的情況下，DMA硬件自動實現數據的轉移和復制，在DMA傳輸過程中，CPU幾乎不用干涉，這樣可以讓CPU安心的去做自己的事情。雖然如此，但是DMA在傳輸數據過程中要占用總線，在大批數據傳輸時，系統總線會被DMA通道占用，也會影響系統的效率。S3C2440 UART控制器支持DMA方式傳輸串口通信數據。

　　S3C2440 UART控制器

　　S3C2440 UART控制器，提供了三個獨立的異步串行I/O端口，每個端口都可以在中斷模式或DMA模式下工作，換而言之，UART可以生成中斷或DMA請求用于CPU和UART之間的數據傳輸。UART串口掛接在APB總線上，APB總線最高可以達到50MHz工作頻率，在使用APB時鐘頻率時可以達到最高115.2Kbps波特率的通信速度。如果UART串口接收外部設備提供UEXTCLK（外部時鐘），UART可以在更高的速度下工作。每個UART串口在接收裝置和發送裝置里分別包含一個64Byte的FIFO緩沖區，用于緩存發送數據和接收數據。

　　由于UART是串行異步通信方式，因此在UART通信過程中每次只能傳輸1位（bit），若干位組成一個數據幀（frame），幀是UART通信中最基本單元，它主要包含：開始位，數據位，校驗位（如果開啟了數據校驗，要包含校驗位），和停止位，幀結構如圖2-58所示。

　　圖2-58 UART數據幀結構

　　UART在通信之前要在發送端和接收端約定好幀結構，也就是約定好傳輸數據幀格式。

　　開始位：必須包含在數據幀中，表示一個幀的開始。

　　數據位：可選5，6，7，8位，該位長度可由編程人員指定。

　　校驗位：如果在開啟了數據校驗時，該位必須指定。

　　停止位：可選1，2位，該位長度可由編程人員指定。

　　通信雙方約定好幀格式后，指定同一波特率，以保證雙方數據傳輸的同步。

　　S3C2440 UART串口工作原理

　　每個UART包含一個波特率產生器，發送器，接收器和一個控制單元，如下圖所示：

　　圖2-59 UART硬件結構

　　UART是以異步方式實現通信的，其采樣速度由波特率決定，波特率產生器的工作頻率可以由PCLK（外圍設備頻率），FCLK/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，波特率設置寄存器是可編程的，用戶可以設置其波特率決定發送和接收的頻率。發送器和接收器包含了64Byte的FIFO和數據移位器。UART通信是面向字節流的，待發送數據寫到FIFO之后，被拷貝到數據移位器（1字節大小）里，數據通過發送數據管腳TXDn發出。同樣道理，接收數據通過RXDn管腳來接收數據（1字節大小）到接收移位器，然后將其拷貝到FIFO接收緩沖區里。