uart是什么意思?认识uart串口

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

Uart串口

  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串口

  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串口

  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串口

  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串口

  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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