0 串口，UART，RS232，RS485傻傻分不清

0.1 串行通信与并行通信

串口名字表示采用的通信方式为串行而不是并行。那么串行与并行的区别是啥呢？很简单，串行就是同一时刻只能传输一个bit，而并行则可以同时传输多个bits。乍一看，仿佛并行通信速度更快，而且并行的信号线越多，传输数据快。CPU的总线就是使用并行通信的，总线带宽也从8一路飙升到了目前的64。然而这是在CPU的内部，对于设备间通信而言，并行通信意味着需要更多的信号连线，更复杂的控制逻辑，设备成本飙升。所以目前外围设备通信中，串行通信才是主流。如USB就是串行通信的代表，IDE的硬盘接口也被串行的SATA取代。
串口，顾名思义，采用的串行通信，一次发送一个bit位，干净利索。

0.2 异步通信和同步通信

UART是Universal Asynchronous Receiver&Transmitter的缩写，意思是统一异步通信。这里的关键点是异步通信。那就说明还存在另一种通信方式，叫做“同步通信”。这两者到底啥区别呢？
具体看参考这篇文章。总结来说：

同步通信要求接收端时钟频率和发送端时钟频率一致，发送端发送连续的比特流；异步通信时不要求接收端时钟和发送端时钟同步，发送端发送完一个字节后，可经过任意长的时间间隔再发送下一个字节。
同步通信效率高；异步通信效率较低。
同步通信较复杂，双方时钟的允许误差较小；异步通信简单，双方时钟可允许一定误差。
同步通信可用于点对多点；异步通信只适用于点对点。

0.3 RS232 RS485

串口通信有自己工业标准，目前常用的标准有两种：一是RS232，二是RS485。他们并不兼容，各自规定了自己的电气标准，通信规范。参考这篇文章。
简单来说：
由于RS232接口标准出现较早，难免有不足之处，主要有以下四点：
　　(1) 接口的信号电平值较高，易损坏接口电路的芯片，又因为与TTL 电平不兼容故需使用电平转换电路方能与TTL电路连接。
　　(2) 传输速率较低，在异步传输时，波特率为20Kbps。
　　(3) 接口使用一根信号线和一根信号返回线而构成共地的传输形式，容易产生共模干扰，所以抗噪声干扰性弱。
　　(4) 传输距离有限，最大传输距离标准值为50英尺，实际上也只能用在50米左右。
　针对RS232接口的不足，于是就不断出现了一些新的接口标准，RS-485就是其中之一，它具有以下特点：
　　(1) RS-485的电气特性：逻辑“1”以两线间的电压差为+(2-6) V表示；逻辑“0”以两线间的电压差为-(2-6)V表示。接口信号电平比RS-232降低了，就不易损坏接口电路的芯片，且该电平与TTL电平兼容，可方便与TTL 电路连接。
　　(2) RS-485的数据最高传输速率为10Mbps 。
　　(3) RS-485接口是采用平衡驱动器和差分接收器的组合，抗共模干能力增强，即抗噪声干扰性好。
　　(4) RS-485接口的最大传输距离标准值为4000英尺，实际上可达3000米，另外RS-232接口在总线上只允许连接1个收发器，即单站能力。而RS-485接口在总线上是允许连接多达128个收发器。即具有多站能力,这样用户可以利用单一的RS-485接口方便地建立起设备网络。

1 S3C2440片内串口控制器初始化理论

S3C2440片内集成了UART控制器，支持3个独立的串口。TQ2440开发板对其中的0号串口引脚连接了电平转换电路把TTL电平转换成了RS232标准的电平，并搭配了标准的DB9接头。这样就可以直接和PC的DB9接口通过串口线连接调试了。

1.1 时钟来源与波特率

串口通信需要时钟来驱动，S3C2440提供了三种时钟来源供UART控制器使用，分别是PCLK，UEXTCLK，FCLK/n。具体使用哪个时钟源通过UCONn寄存器来设置。
波特率以时钟源的频率为基础，按照固定的公式计算得出。

UBRDIVn = (时钟源频率 / (波特率X16) -1

设置波特率的寄存器为UBRDIVn。
我们的实验中，选择PCLK作为时钟源，频率为50MHz，如果要想得到115200Hz的波特率，那么就需要设置

UBRDIVn = 50,000,000 / 115200*16 -1 = 26

1.2 数据长度、停止位、校验位

这是串口通信的三要素，收发两端必须一致才能正确通信。通过ULCONn寄存器来设置。详见数据手册。

1.3 轮询方式发送一个字节的流程

需要发送数据时
（1）把数据写入UTXHn寄存器，写完成导致：
* 发送完成状态清0；
* UART硬件自动把其中的数据串行化发送出去；
* 发送完毕UTRSTATn的发送完成状态置1。

（2）循环检测发送完毕状态位，等待发送完毕退出。

1.4 轮询方式接收数据流程

接收数据也很简单
当接收到数据时，会把数据反串行化后放入URXHn寄存器中，并设置URTSTATn寄存器来通知。
（1）循环检测UTRSTATn的接收完成状态，直到其为1
（2）读取URXHn寄存器，取出收到的字节，读完成会导致：

UTRSTATn的接收完成状态清0

2 源码

uart.c

#include "2440addr.h"

void uart_init(void)
{
    rGPHCON &= ~(3<<4 | 3<<6);
    rGPHCON |= 2<<4 | 2<<6;
    rGPHUP = 0x00;
    rULCON0 &= ~(0x3);  /* 8 bits */
    rULCON0 |= 0x3;
    rULCON0 &= ~(1<<2); /* 1 stopbit */
    rULCON0 &= ~(1<<5); /* no parity */
    rULCON0 &= ~(1<<6); /* normal (not infrared) */

    rUCON0 &= ~(3);     /* open send mode */
    rUCON0 |= 0x1;
    rUCON0 &= ~(3<<2);  /* open recv mode */
    rUCON0 |= 1<<2;

    rUCON0 &= ~(3<<10); /* PCLK */

    rUBRDIV0 = 26;      /* baud rate = 115200 */
}
void uart_set_baud(int baud)
{
    if (baud == 115200 ) {
        rUBRDIV0 = 26;
    } else if(baud == 9600 ) {
        rUBRDIV0 = 325;
    } else {
    }
}
void uart_set_stopbits(int n)
{
    if (n < 1 || n > 2) return;
    if (n == 1) {
        rULCON0 &= ~(1<<2);
    }else{
        rULCON0 |= 0x4;
    }
}
/* 0 - no, 1 - odd, 2 - even */
void uart_set_parity(int how)
{
    if (how < 0 || how >2) return;
    rULCON0 &= ~(0x7 << 3);
    if (how == 0) {
        rULCON0 |= (0 << 3);
    } else if (how == 1) {
        rULCON0 |= (4 << 3);
    } else {
        rULCON0 |= (5 << 3);
    }
}
/* n=5,6,7,8 */
void uart_set_databits(int n)
{
    if (n<5 || n>8) return;
    rULCON0 &= ~3;
    switch (n) {
        case 5:
            rULCON0 |= 0;
            break;
        case 6:
            rULCON0 |= 1;
            break;
        case 7:
            rULCON0 |= 2;
            break;
        case 8:
            rULCON0 |= 3;
            break;
        default:
            break;
    }
}
/* send a byte and wait until sent. */
void uart_send_byte(unsigned char c)
{
    rUTXH0 = c;
    while ( 0 == (rUTRSTAT0 & (1<<2)) );
}
unsigned char uart_recv_byte()
{
    while ( 0 == (rUTRSTAT0 & 1)) ;
    return rURXH0;
}

void uart_send_str(char* msg)
{
    while (*msg) {
        uart_send_byte(*msg++);
    }
}

3 简单的打印函数

这里我们原样模拟了标准C库的函数。

3.1 putchar

注意对C字符串换行符的处理，需要转换成终端换行符序列0x0A0D。

int putchar(int c)
{
    if(c == '\n') {
        uart_send_byte(0x0A);
        uart_send_byte(0x0D);
    } else {
        uart_send_byte((unsigned char)c);
    }
    return 0;
}

3.2 puts

int puts(const char* str)
{
    while(*str){
        putchar(*str++);
    }
    return 0;
}

3.3 测试代码

 io_init(0);
 puts("Hello, World!\n");

4 项目源码

标签v0.6。

TQ2440开发板学习纪实（5）--- 设置UART串口，输出Hello World!