串口通訊基礎(chǔ)及S3C2410 UART控制器

　　數(shù)據(jù)通信的基本方式可分為并行通信與串行通信兩種：

　　并行通信：是指利用多條數(shù)據(jù)傳輸線將一個資料的各位同時傳送。它的特點是傳輸速度快，適用于短距離通信，但要求通訊速率較高的應(yīng)用場合。

　　串行通信：是指利用一條傳輸線將資料一位位地順序傳送。特點是通信線路簡單，利用簡單的線纜就可實現(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。

　　一、異步通信及其協(xié)議

　　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是不固定的，然而在同一個字符中的兩個相鄰位代碼間的時間間隔是固定的。

　　通信協(xié)議(通信規(guī)程)：是指通信雙方約定的一些規(guī)則。在使用異步串口傳送一個字符的信息時，對資料格式有如下約定：規(guī)定有空閑位、起始位、資料位、奇偶校驗位、停止位。

　　異步通訊的時序，如圖5-1。

　　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。

　　資料位：緊接著起始位之后。資料位的個數(shù)可以是4、5、6、7、8等，構(gòu)成一個字符。通常采用ASCII碼。從最低位開始傳送，靠時鐘定位。

　　奇偶校驗位：資料位加上這一位后，使得“1”的位數(shù)應(yīng)為偶數(shù)(偶校驗)或奇數(shù)(奇校驗)，以此來校驗資料傳送的正確性。

　　停止位：它是一個字符數(shù)據(jù)的結(jié)束標(biāo)志?？梢允?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。

　　波特率：是衡量資料傳送速率的指針。表示每秒鐘傳送的二進(jìn)制位數(shù)。例如資料傳送速率為120字符/秒，而每一個字符為10位，則其傳送的波特率為10×120=1200字符/秒=1200波特。

　　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現(xiàn)發(fā)送與接收方的時鐘自同步的)。

　　二、資料傳送方式

　　根據(jù)資料傳送方向的不同有以下三種方式。如圖5-2所示。

　　(1)單工方式(2)半雙工方式(3)全雙工方式

　　圖5-2 資料傳送方式

　　1、單工方式

　　資料始終是從A設(shè)備發(fā)向B設(shè)備。

　　2、 半雙工方式

　　資料能從A設(shè)備傳送到B設(shè)備，也能從B設(shè)備傳送到A設(shè)備。在任何時候資料都不能同時在兩個方向上傳送，即每次只能有一個設(shè)備發(fā)送，另一個設(shè)備接收。但是通訊雙方依照一定的通訊協(xié)議來輪流地進(jìn)行發(fā)送和接收。

　　3、 全雙工方式

　　允許通信雙方同時進(jìn)行發(fā)送和接收。這時，A設(shè)備在發(fā)送的同時也可以接收，B設(shè)備亦同。全雙工方式相當(dāng)于把兩個方向相反的單工方式組合在一起，因此它需要兩條數(shù)據(jù)傳輸線。在計算機(jī)串行通訊中主要使用半雙工和全雙工方式。

　　三、信號傳輸方式

　　1、基帶傳輸方式

　　在傳輸線路上直接傳輸不加調(diào)制的二進(jìn)制信號，如圖所示。它要求傳送線的頻帶較寬，傳輸?shù)臄?shù)字信號是矩形波。

　　基帶傳輸方式僅適宜于近距離和速度較低的通信。

　　2、頻帶傳輸方式

　　傳輸經(jīng)過調(diào)制的模擬信號

　　在長距離通信時，發(fā)送方要用調(diào)制器把數(shù)字信號轉(zhuǎn)換成模擬信號，接收方則用解調(diào)器將接收到的模擬信號再轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，這就是信號的調(diào)制解調(diào)。

　　實現(xiàn)調(diào)制和解調(diào)任務(wù)的裝置稱為調(diào)制解調(diào)器(MODEM)。采用頻帶傳輸時，通信雙方各接一個調(diào)制解調(diào)器，將數(shù)字信號寄載在模擬信號(載波)上加以傳輸。因此，這種傳輸方式也稱為載波傳輸方式。這時的通信線路可以是電話交換網(wǎng)，也可以是專用線。

　　常用的調(diào)制方式有三種：

　　調(diào)幅、調(diào)頻和調(diào)相，分別如下圖所示。

　　四、串行接口標(biāo)準(zhǔn)

　　串行接口標(biāo)準(zhǔn)：指的是計算機(jī)或終端(資料終端設(shè)備DTE)的串行接口電路與調(diào)制解調(diào)器MODEM等(數(shù)據(jù)通信設(shè)備DCE)之間的連接標(biāo)準(zhǔn)。

　　RS-232C標(biāo)準(zhǔn)

　　RS-232C是一種標(biāo)準(zhǔn)接口，D型插座，采用25芯引腳或9芯引腳的連接器，如圖5-5所示。

　　圖5-5

　　微型計算機(jī)之間的串行通信就是按照RS-232C標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計的接口電路實現(xiàn)的。如果使用一根電話線進(jìn)行通信，那幺計算機(jī)和MODEM之間的聯(lián)機(jī)就是根據(jù)RS-232C標(biāo)準(zhǔn)連接的。其連接及通信原理如圖5-6所示

　　圖5-6

　　RS232信號定義

　　RS-232C標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定接口有25根聯(lián)機(jī)。只有以下9個信號經(jīng)常使用.

　　引腳和功能分別如下：

　　1. TXD(第2腳)：發(fā)送資料線，輸出。發(fā)送資料到MODEM。

　　2. RXD(第3腳)：接收資料線，輸入。接收資料到計算機(jī)或終端。

　　3. (第4腳)：請求發(fā)送，輸出。計算機(jī)通過此引腳通知MODEM，要求發(fā)送資料。

　　4. (第5腳)：允許發(fā)送，輸入。發(fā)出 作為對 的回答，計算機(jī)才可以進(jìn)行發(fā)送資料。

　　5. (第6腳)：資料裝置就緒(即MODEM準(zhǔn)備好)，輸入。表示調(diào)制解調(diào)器可以使用，該信號有時直接接到電源上，這樣當(dāng)設(shè)備連通時即有效。

　　6. CD(第8腳)：載波檢測(接收線信號測定器)，輸入。表示MODEM已與電話線路連接好。

　　7. 如果通信線路是交換電話的一部分，則至少還需如下兩個信號：

　　8. RI(第22腳)：振鈴指示，輸入。MODEM若接到交換臺送來的振鈴呼叫信號，就發(fā)出該信號來通知計算機(jī)或終端。

　　9. (第20腳)：資料終端就緒，輸出。計算機(jī)收到RI信號以后，就發(fā)出 信號到MODEM作為回答，以控制它的轉(zhuǎn)換設(shè)備，建立通信鏈路。

　　10. GND(第7腳)：信號地

　　邏輯電平

　　RS-232C標(biāo)準(zhǔn)采用EIA電平，規(guī)定：

　　“1”的邏輯電平在-3V~-15v之間

　　“0”的邏輯電平在+3V~+15V之間。

　　由于EIA電平與TTL電平完全不同，必須進(jìn)行相應(yīng)的電平轉(zhuǎn)換，MCl488完成TTL電平到EIA電平的轉(zhuǎn)換，MCl489完成EIA電平到ITL電平的轉(zhuǎn)換。還有MAX232可以同時完成TTL->EIA和EIA->TTL的電平轉(zhuǎn)換。

　　除了RS-232C標(biāo)準(zhǔn)以外，還有一些其它的通用的異步串行接口標(biāo)準(zhǔn)，如：

　　RS-423A標(biāo)準(zhǔn)

　　為了克服RS-232C的缺點，提高傳送速率，增加通信距離，又考慮到與RS-232C的兼容性，美國電子工業(yè)協(xié)會在1987年提出了RS-423A標(biāo)準(zhǔn)。該標(biāo)準(zhǔn)的主要優(yōu)點是在接收端采用了差分輸入。而差分輸入對共模干擾信號有較高的抑制作用，這樣就提高了通信的可靠性。RS-423A用-6v表示邏輯“1”，用+6v表示邏輯“0”，可以直接與RS-232C相接。采用RS-423A標(biāo)準(zhǔn)以獲得比RS-232C更佳的通信效果。圖5-7是RS423A的連接示意圖。

　　圖5-7

　　RS-422A標(biāo)準(zhǔn)

　　RS-422A總線采用平衡輸出的發(fā)送器，差分輸入的接收器。如圖5-8所示。

　　圖5-8

　　RS-422A的輸出信號線間的電壓為±2v，接收器的識別電壓為±0.2v。共模范圍±25v。在高速傳送信號時，應(yīng)該考慮到通信線路的阻抗匹配，一般在接收端加終端電阻以吸收掉反射波。電阻網(wǎng)絡(luò)也應(yīng)該是平衡的，如圖5-9所示。

　　圖5-9 為RS-422A平衡輸出差分輸示意圖

　　RS-485標(biāo)準(zhǔn)

　　RS-485適用于收發(fā)雙方共享一對線進(jìn)行通信，也適用于多個點之間共享一對線路進(jìn)行總線方式聯(lián)網(wǎng)，但通信只能是半雙工的，線路如圖5-10所示。

　　圖5-10

　　典型的RS232到RS422/485轉(zhuǎn)換芯片有：MAX481/483/485/487/488/489/490/491，SN75175/176/184等等，它們均只需單一+5v電源供電即可工作(芯片內(nèi)部采用電荷泵方式升壓)。具體使用方法可查閱有關(guān)技術(shù)手冊。

　　五、S3C2410內(nèi)置的UART控制器

　　S3C2410內(nèi)部具有3個獨立的UART控制器，每個控制器都可以工作在Interrupt(中斷)模式或DMA(直接內(nèi)存訪問)模式，也就是說UART控制器可以CPU與UART控制器傳送資料的時候產(chǎn)生中斷或DMA請求。并且每個UART均具有16字節(jié)的FIFO(先入先出寄存器)，支持的最高波特率可達(dá)到230.4Kbps

　　圖5-11是S3C2410內(nèi)部UART控制器的結(jié)構(gòu)圖

　　圖5-11

　　UART的操作

　　UART的操作分為以下幾個部分，分別是：資料發(fā)送、資料接收、產(chǎn)生中斷、產(chǎn)生波特率、Loopback模式、紅外模式以及自動流控模式。

　　資料發(fā)送

　　發(fā)送的資料幀格式是可以編程設(shè)置的。它包含了起始位、5~8個資料位、可選的奇偶校驗位以及1~2位停止位。這些都是通過UART的控制寄存器 ULCONn 來設(shè)置的。

　　資料接收

　　同發(fā)送一樣，接收的資料幀格式也是可以進(jìn)行編程設(shè)置的。此外，還具備了檢測溢出出錯、奇偶校驗出錯、幀出錯等出錯檢測，并且每種錯誤都可以置相應(yīng)的錯誤標(biāo)志。

　　自動流控模式

　　S3C2410的UART0和UART1都可以通過各自的nRTS和nCTS信號來實現(xiàn)自動流控。

　　在自動流控(AFC)模式下nRTS取決于接收端的狀態(tài)，而nCTS控制了發(fā)送斷的操作。具體地說：只有當(dāng)nCTS有效時(表明接收方的FIFO已經(jīng)準(zhǔn)備就緒來接收資料了)，UART才會將FIFO中的資料發(fā)送出去。在UART接收資料之前，只要當(dāng)接收FIFO有至少2-byte空余的時候，nRTS就會被置為有效。圖5-12是UART 自動流控模式的連接方式

　　圖5-12

　　中斷/DMA請求產(chǎn)生

　　S3C2410的每個UART都有7種狀態(tài)，分別是：溢出覆蓋(Overrun)錯誤、奇偶校驗錯誤、幀出錯、斷線錯誤、接收就緒、發(fā)送緩沖空閑、發(fā)送移位器空閑。它們在UART狀態(tài)寄存器 UTRSTATn / UERSTATn 中有相應(yīng)的標(biāo)志位。

　　波特率發(fā)生器

　　每個UART控制器都有各自的波特率發(fā)生器來產(chǎn)生發(fā)送和接收資料所用的序列時鐘，波特率發(fā)生器的時鐘源可以CPU內(nèi)部的系統(tǒng)時鐘，也可以從CPU的 UCLK 管腳由外部取得時鐘信號，并且可以通過 UCONn 選擇各自的時鐘源。

　　波特率產(chǎn)生的具體計算方法如下：

　　當(dāng)選擇CPU內(nèi)部時鐘時：

　　UBRDIVn=(int)(PCLK/(bps*16))-1,bps為所需要的波特率值，PCLK為CPU內(nèi)部外設(shè)總線(APB)的工作時鐘。

　　當(dāng)需要得到更精確的波特率時，可以選擇由 UCLK 引入的外部時鐘來生成。

　　UBRDIVn=(int)(UCLK/(bps*16))-1

　　LoopBack操作模式

　　S3C2410 CPU的UART提供了一種測試模式，也就是這里所說的LoopBack模式。在設(shè)計系統(tǒng)的具體應(yīng)用時，為了判斷通訊故障是由于外部的數(shù)據(jù)鏈路上的問題，還是CPU內(nèi)驅(qū)動程序或CPU本身的問題，這就需要采用LoopBack模式來進(jìn)行測試。在LoopBack模式中，資料發(fā)送端TXD在UART內(nèi)部就從邏輯上與接收端RXD連在一起，并可以來驗證資料的收發(fā)是否正常。

　　UART控制寄存器

　　下面將針對UART的各個控制寄存器逐一進(jìn)行講解，以期對UART的操作和設(shè)置能有更進(jìn)一步的了解。