11. 通用异步收发器 UART
11.1 UART原理，部件使用方法
11.1.1UART原理
UART是Universal Asynchronous Receiver Transmitter的缩写，即通用异步收发器
UART用来传输串行数据：
- 发送时，CPU将并行数据写入UART，UART按照一定格式在一根电线上串行发出
- 接收时，UART检测另一根电线上的信号，收集串行数据存放在缓冲区，供CPU读取
连线图：
图中收发各有一条线，有的设备比如SIM卡，只有一条线，收发共用。
- 2条线可以实现全双工
- 1条线可以实现半双工
电平逻辑
- TTL/CMOS
- 5V，3.3V，2.5V/1.8V 表示1
- 0V，表示0
- RS-232
- 3~12V 表示1
- -3~-12V表示0
传输结构
- 位，最小单元
- 帧，不可分割的若干位
- 开始位
- 数据位
- 校验位（可选）
- 停止位
波特率
每一位所需时间的倒数，即每秒可以传输的位数。
波形
上图是一个7位数据位的帧波形。
- 空闲状态，高电平
- 拉低1位，表示帧开始
- 然后按照次序，按照约定的每帧数据位数，传输数据
- 数据位全部传输完成后，传输校验位，校验方式提前约定，可以是奇校验，也可以是偶校验
- 下一位是停止位，拉高电平
- 停止位长度可以设置，1，1.5，2，为了保护各个帧，防止错乱
11.1.2 2440的UART
3个通道
- UART0
- UART1
- UART2
工作模式
- 中断模式
- DMA模式
收发过程
发数据
- 2440的UART由深度64的FIFO控制
- CPU写入数据到FIFO
- UART将FIFO的数据复制到“发送移位寄存器”Transmit Shifter
- Shifter将数据发送的TxDn数据线上
收数据
- 数据线RxDn上的数据进入接收移位器，Receive Shifter
- Shifter复制数据到FIFO中
- CPU从FIFO中读取数据
11.1.3 2440的UART使用
使用前的设置
- 波特率
- 传输格式
- 数据位宽度
- 是否使用校验位
- 奇校验还是偶校验
- 多少个停止位
- 是否使用流量控制
- 设置管脚
- 对应管脚设置位UART管脚
- UART通道工作模式
- 中断模式
- DMA模式
设置好以后的使用
- 往某寄存器写入数据即发送
- 读取某个寄存器即获得接收到的数据
- 发送完毕，接收到数据的信息获取
- 查询状态寄存器
- 设置中断
1. UART管脚设置
- UART通道0
- TxD0 GPH2
- RxD0 GPH3
所以GPH2和GPH3需要设置成TxD0和RxD0管脚。
2. 波特率 UBRDIVn寄存器
根据芯片手册，时钟频率，波特率和UBVRDIVn寄存器的数学关系如下
UBRDIVn = int(UART clock/(baud rate x 16)) - 1那么如果给定时钟频率是40MHz，波特率要求是115200，那么可以计算出寄存器UBRDIVn的设置值应该是
UBRDIVn = int(40000000/(115200 x 16)) - 1
= int(21.7) - 1 /*取最近接的整数*/
= 22 - 1
= 213. 传输格式 ULCONn寄存器
传输格式包括这几个方面的设置
- 红外模式开关
- 校验位设置
- 停止位设置
- 数据位宽度
其他几项的含义非常直观，不赘述。
红外模式的含义这里按照芯片手册复述一下，来龙去脉并不清楚。
下图是正常的串口波形，高电平是1，低电平是0。
下图是红外模式的波形：
从图中可以看出，在红外模式中：
- 发送时，通过宽度是3/16位的脉冲，判断当前位是0，如果没有脉冲，当前位是1
- 接收时，通过宽度是3/16位的脉冲，发出信号0，如果是1，不发出脉冲
4. UART控制寄存器 UCONn
从低位往高位分析：
接收/接收模式
- 00 关闭，禁止接收
- 01 中断或者查询模式
- 10 ，11 DMA模式
break信号
自环模式
接收错误状态中断
- 0 正常模式
- 1 打开/启用
接收超时中断
- 0 关闭
- 1 打开
发送/接收中断类型
- 0 脉冲
- 1 电平
时钟选择
- 00 10 PCLK
- 01 UEXTCLK
- 11 FCLK/n
PCLK是用于串口等速度较慢的外设的时钟（用于APB 总线设备），FCLK是内核晶振的频率（用于CPU），HCLK用于液晶，内存等高速设备（用于AHB总线设备）,UEXTCLK是外接的时钟，用于UART
在2440中，这几个时钟的频率如下
- FCLK <= 400MHz
- HCLK <= 136MHz
- PCLK <= 68MHz
最后如果选择了FCLK/n，那么这个n由FCLK Divider确定。
规则比较复杂：
- UCON2[15] 是使能位，决定是否允许FCLK/n作为时钟源
- n的确定
- n = 7 ~ 21
- n = divider + 6, divider = UCON0[15:12]
- n = 22 ~ 36
- n = divider + 21, divider = UCON1[15:12]
- n = 37 ~ 43
- n = divider + 36, divider = UCON2[14:12]
- n = 44
- UCON0[15:12], UCON1[15:12], UCON2[14:12]都是0
- n = 7 ~ 21
5. FIFO配置（UFCONn寄存器），FIFO状态（UFSTATn）
见下图，含义比较明显，不赘述。可以使用FIFIO队列，也可以不使用。本篇的实例就没有使用FIFO
6. 流量控制（UMCONn），流量状态（UMSTATn）
本篇不涉及。
7. 发送/接收状态（UTRSTATn）
记录这3个状态信息
- 接收缓冲数据就绪，接收到数据时，自动被设置为1
- 0 空
- 1 接收到数据
- 发送缓冲为空， 发送缓冲区内没有数据时，自动设为1
- 0 缓冲不为空
- 1 空
- 发送器空， 发送缓冲区中没有数据，并且最后一个数据也发送出去了，自动设为1
- 0 非空
- 1 空
8. 错误状态（UERSTATn）
4种错误，见表格。
读取这个寄存器时，会自动清0。
9. 发送缓冲寄存器（UTXHn）
CPU将数据写入这个寄存器，UART会立即将它保存到缓冲区中，并自动发送。
10. 接收缓冲寄存器（URXHn）
UART接收到数据时，CPU读取这个寄存器，就可以获得数据。
11.2 UART操作实例
在串口上接收一个字符，然后ASCII + 1，从串口输出
1. UART初始化
#include "s3c24xx.h"
#include "serial.h"
#define TXD0READY (1<<2)
#define RXD0READY (1)
#define PCLK 50000000 // init.c中的clock_init函数设置PCLK为50MHz
#define UART_CLK PCLK // UART0的时钟源设为PCLK
#define UART_BAUD_RATE 115200 // 波特率
#define UART_BRD ((UART_CLK / (UART_BAUD_RATE * 16)) - 1)
/*
* 初始化UART0
* 115200,8N1,无流控
*/
void uart0_init(void)
{
GPHCON |= 0xa0; // GPH2,GPH3用作TXD0,RXD0
GPHUP = 0x0c; // GPH2,GPH3内部上拉
ULCON0 = 0x03; // 8N1(8个数据位，无较验，1个停止位)
UCON0 = 0x05; // 查询方式，UART时钟源为PCLK
UFCON0 = 0x00; // 不使用FIFO
UMCON0 = 0x00; // 不使用流控
UBRDIV0 = UART_BRD; // 波特率为115200
}2. 发送字符函数
/*
* 发送一个字符
*/
void putc(unsigned char c)
{
/* 等待，直到发送缓冲区中的数据已经全部发送出去 */
while (!(UTRSTAT0 & TXD0READY));
/* 向UTXH0寄存器中写入数据，UART即自动将它发送出去 */
UTXH0 = c;
}3. 接收字符函数
/*
* 接收字符
*/
unsigned char getc(void)
{
/* 等待，直到接收缓冲区中的有数据 */
while (!(UTRSTAT0 & RXD0READY));
/* 直接读取URXH0寄存器，即可获得接收到的数据 */
return URXH0;
}4. 主函数
#include "serial.h"
int main()
{
unsigned char c;
uart0_init(); // 波特率115200，8N1(8个数据位，无校验位，1个停止位)
while(1)
{
// 从串口接收数据后，判断其是否数字或子母，若是则加1后输出
c = getc();
if (isDigit(c) || isLetter(c))
putc(c+1);
}
return 0;
}