UART串口协议基础1

 

Louis

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串口协议基础

1 串口概述

串口由收发器组成。发送器是通过TxD引脚发送串行数据，接收器是通过RxD引脚接收串行数据。发送器和接收器都利用了一个移位寄存器，这个移位寄存器可以将数据进行“并转串”和“串转并”。虽然一个UART接口通常都包含了发送器和接收器，而实际上一个全双工串口UART控制器需要独立的发送和接收通道。这是因为每个控制通道只控制了一个pin（一个通道要么配置成发送器，要么配置成接收器，不能同时配置成接收器和发送器）。没有严格规定哪个通道可以是发送器、哪个通道可以使接收器。

UART协议（串口协议）允许选择一个校验位来检测简单的通信错误（transmission errors）。校验位可以通过两种不同的方式进行产生和检测（generated and checked）:奇校验和偶校验（odd and even parity）。UART协议功能支持所有的校验方式。

串口协议对每个字节数据的bit数并不是固定不变的。尽管8-bit的字节是经常用到的，但是一些应用也用到7-bit、9-bit、或者更多bit的字节数据。串口功能可以使用每个字节长达1~23bit长度的字节数据。另外，串口协议还需要1个开始位（1 start bit）(发送一个从“高到低”动作，低电平需要保持1 bit的时间)和1个停止位（1 stop bit）（发送一个从“底到高”动作，高电平需要保持1 bit的时间）来封装数据。

串口功能是双缓冲的。不论是发送器还是接收器，它们都包含有一个移位寄存器和一个数据寄存器。Host CPU可以在数据正在发送时，将新数据写入到发送器的数据寄存器；也可以在数据被接收时，从接收器的数据寄存器读取数据。

串口发送器通过对通道的“中断标志位”和数据发送器“需求标志位”置位来指示数据已经从“发送数据寄存器”传送到“发送移位寄存器”了。发送器的CIS标志位和DTRS被置位时，标志着发送数据寄存器已经准备就绪可以接收新数据了。假如中断标志位将被用于轮询环境（polling environment），CIS标志位就必须在新数据被写入发送器前被清零。同样的，如果一个DMA通道被用于UART通道服务，那么DTRS标志位就应被DMA通道描述符清零（should be cleared by theDMA channel descriptor）。当数据别写入到数据发送寄存器时，这24-bit的数据发送寄存器MSB必须写为0。这个是iTPU串口的一个握手信号，这个握手信号表明了新的发送数据进行串行移位输出已经写好。

同样的，串口接收器通过对CIS和DTRS标志位进行置位，来表明新数据已经到了。当数据从接收移位寄存器传送到接收数据寄存器后，CIS和DTRS标志位就被置位了。假如中断标志位将被用于轮询环境（polling environment），接收器的CIS标志位就必须在新数据被读取后被清零。如果一个DMA通道被用于UART通道服务，那么DTRS标志位就应被DMA通道描述符清零（should be cleared by theDMA channel descriptor）。为了避免数据丢失或者重复读取同样的数据，所以必须在接收后续的数据前完成 检测新接收到的数据、读取数据、和清除接收CIS标志位和DRTS标志位。同样的，在随后数据接收前，与每个已接收到的数据位相关的“错误条件”（error condition）必须被检测或者保存好，否则errorcondition将会丢失。

串口功能可以进行连续的传输（back-to-back transfer）。如果数据及时，发送器不会产生空闲信号（idle line signal），而是在一个stop位后，紧跟着下一帧数据的star位。空闲信号只有在传送数据已经被串行移位输出，发送数据寄存器为空时才会产生。发送器的空闲信号时间都是1 bit时间的整数倍。接收器可以处理任何长度的空闲信号。

每个数据都是由1个start位开始的，开始位始终是逻辑0。跟随在开始位后面的是特定长度的数据，数据是LSB模式发送的；如果校验位被使能，那么1个校验位也将产生，并被发送。数据的最后一位由1个stop位标志，结束位始终是逻辑1。一个空闲line就是由连续多个的stop位组成的，这也就意味着空闲信号其实就是信号线一直保持在逻辑1。

例子：一个ASCII字符“A”（8-bit，hex码为0x41）一直都是以如下的方式进行传送的。注意：数据是LSB first发送方式。

 

如图2更多详细内容：（注意：时序图显示0x41数据串行输出时序，LSB first。）

文中用到的“bittime”位时间，指的是传送或接受1bit数据所需要的时间。位时间是由波特率决定的，如下公式：

Bittime = 1/Baud Rate

接收器通过感知start位的下降沿，来检测数据。因为UART功能总是把服务请求初始化后的第一个下降沿作为有效的起始条件，此时若line是空闲的，就必须使能接收器。接收位只采样一次，大约半个bit time。在每次start bit时，接收器都将出现同步。

 

2 基本时序

如图2展示了TX和RX数据，以及串行数据的时序。任何写入到tx数据寄存器的数据，必须将msb位置为0（其实就是开始位，startbit）。这表明UART的新数据已经准备好，可以进行移位输出了。所有接收的数据通过API接收函数fs_etpu_uart_read _receive _data()进行右对齐。传送的数据总是由1开始位（1 bittime low）和1停止位(1 bit time high)封装。数据总是LSB FIRST移位输出。当所有数据被传送出去后，根据校验位是否被使能，校验位也将被选择性的输出。数据宽度被限制在23bits以内。这就意味着最大的数据大小、加上校验位，以及开始位、结束位，一帧数据最长将达到26bits。接收到的数据MSB总是0。