UART总结

总线协议 – UART

一、 UART简介

UART: Universal Asynchronous Receiver Transmitter（通用异步收发器），

通用的串行、异步通信总线，它有两条数据线，实现全双工发送和接收。

1.1 通信基础

串行、并行：

• 并行通信：总线在传递数据的时候，可以一次性收发多个位的数据。并行虽然快，但是要考虑多个线的资源占用，以及多条线互相干扰的问题；
• 串行通信：每一位数据逐次传递；（IIC\SPI都是串行通信）

单工、双工：

• 单工通信：只能是单向的，发送器给接收器发送数据，而不能反过来；
• 双工通信：可以是A到B，也可以是B到A；
  • 半双工：不能同时发生；只有一根线，发送时就不能接收；
  • 全双工：可以同时发送和接收，有两根线；

波特率：

• 波特率：描述UART通信速度，单位bps，(bit per second)，每秒传送的bit的数量；

  • 每秒的波特数，波特等于单个信号包含的码元数量

• 比特率：是指每秒传送的比特(bit)数。单位为 bps(Bit Per Second)，比特率越高，每秒传送数据就越多。

• 波特率：表示每秒钟传送码元符号的个数，是衡量数据传送速率的指标。

  • 在信息传输通道中，携带数据信息的信号单元叫码元，每秒钟通过信道传输的码元数称为码元传输速率，简称波特率。波特率是传输通道频宽的指标。
  • 比特率=波特率x单个调制状态对应的二进制位数
  • 两相调制(单个调制状态对应1个二进制位)的比特率等于波特率;四相调制(单个调制状态对应2个二进制位)的比特率为波特率的两倍;八相调制(单个调制状态对应3个二进制位)的比特率为波特率的三倍;依次类推。

1.2 UART帧格式

• 起始位：1bit的0，标志发送开始；因为空闲时为1，所以开始为0；
• 数据位： 5-8bit，先发低位，后发高位；
• 校验位：可有可无；奇偶校验，是校验奇数还是偶数个1；
• 停止位：高电平1；
• 空闲位：

注意： UART空闲的时候，用高电平表示；

串口协议从低位先发，最后发高位；

串口每次都只发一个byte，下一个byte又重新开始起始位，是因为它是异步的，发送方和接收方的时钟不是同一个，防止由于时钟不同步导致误差累积；

IIC和SPI都是同步通信，可以发多个字节；

1.3 Tx & Rx

串口的信号一般较弱，通信距离短，容易被干扰，所以增加了一块专有芯片用来增加抗干扰能力，使发送距离更远；(TTL信号转为232信号)

发送STEPs：

1. 待发送数据放入FIFO
2. 增加了UART协议的各种头，比如起始和校验，然后拷贝放入shifter；
3. shifter每个bit依次移位到引脚来发送，先发低位，后发高位；

即发送时： FIFO –> shifter –> TxD;

接收时顺序相反，RxD –> shifter –> FIFO;

1.4 UART工作模式

CPU会通过总线，和接收和发送的BUFFer相连，用来读写数据，另外，也和控制单元相连，对控制单元的设置进行修改；

look-back: 回环模式look-back是在内部将Tx和Rx短接，一般用于测试；

三种常见的工作模式：

1. polling 轮询
   • CPU不断地对FIFO进行访问，查询需要的数据有没有发过来；
   • CPU的状态： 工作 –> 轮询 –> 工作 –> 轮询 …
   • 直到查找到需要的数据；
   • 费时费力，消耗资源
2. interrupt 中断
   • CPU和FIFO约定，CPU不主动去查询，当FIFO收到数据要发送过来的时候，给CPU发送中断信号，CPU中断当前工作，接收FIFO的数据；
   • 比polling模式省资源；
3. DMA 直接存储器访问
   • CPU收到FIFO的数据，最终也是要放入某一块内存中去使用的；
   • DMA模式跳过CPU，当FIFO数据过来时，直接放入需要的内存中；

二、 polling模式实验（以qn9090为例）

2.1 主函数

usart_polling.c

int main(void)
{
    uint8_t ch;
    usart_config_t config;                              // 配置波特率、帧格式、上升下降沿、奇偶校验、停止位等

    /* Security code to allow debug access */
    SYSCON->CODESECURITYPROT = 0x87654320;

    /* attach clock for USART(debug console) */
    CLOCK_AttachClk(BOARD_DEBUG_UART_CLK_ATTACH);

    /* reset FLEXCOMM for USART */
    RESET_PeripheralReset(kFC0_RST_SHIFT_RSTn);

    BOARD_BootClockRUN();
    BOARD_InitDebugConsole();
    BOARD_InitPins();
    /*
     * config.baudRate_Bps = 115200U;
     * config.parityMode = kUSART_ParityDisabled;
     * config.stopBitCount = kUSART_OneStopBit;
     * config.loopback = false;
     * config.enableTx = false;
     * config.enableRx = false;
     */
    USART_GetDefaultConfig(&config);                    // 使用默认配置，传入config的引用
    config.baudRate_Bps = BOARD_DEBUG_UART_BAUDRATE;    // 客制化usart配置
    config.enableTx     = true;
    config.enableRx     = true;

    USART_Init(DEMO_USART, &config, DEMO_USART_CLK_FREQ);           // 使用config和外部时钟初始化USART实例，其中外部时钟只在设置波特率时使用

    USART_WriteBlocking(DEMO_USART, txbuff, sizeof(txbuff) - 1);    // 将数组中的值写入

    while (1)
    {
        PRINTF("READ:\n\r");
        USART_ReadBlocking(DEMO_USART, &ch, 1);                     // 数据逐个从FIFORD读入ch，这里只读入一位
        PRINTF("\n\rWRITE:\n\r");
        USART_WriteBlocking(DEMO_USART, &ch, 1);                    // 数据逐个从ch写入FIFOWR，这里只读入一位，等待TX进入IDLE模式结束
        PRINTF("\n\r");
    }
}

2.2 只接收一个char

实验结果：

接收字符串

原始代码修改为接收一个定长5的array，代码：

int main(void)
{
    uint8_t array[6];
    usart_config_t config;

    /* Security code to allow debug access */
    SYSCON->CODESECURITYPROT = 0x87654320;

    /* attach clock for USART(debug console) */
    CLOCK_AttachClk(BOARD_DEBUG_UART_CLK_ATTACH);

    /* reset FLEXCOMM for USART */
    RESET_PeripheralReset(kFC0_RST_SHIFT_RSTn);

    BOARD_BootClockRUN();
    BOARD_InitDebugConsole();
    BOARD_InitPins();
    /*
     * config.baudRate_Bps = 115200U;
     * config.parityMode = kUSART_ParityDisabled;
     * config.stopBitCount = kUSART_OneStopBit;
     * config.loopback = false;
     * config.enableTx = false;
     * config.enableRx = false;
     */
    USART_GetDefaultConfig(&config);
    config.baudRate_Bps = BOARD_DEBUG_UART_BAUDRATE;
    config.enableTx     = true;
    config.enableRx     = true;

    USART_Init(DEMO_USART, &config, DEMO_USART_CLK_FREQ);

    USART_WriteBlocking(DEMO_USART, txbuff, sizeof(txbuff) - 1);

    while (1)
    {
        PRINTF("READ:\n\r");
        USART_ReadBlocking(DEMO_USART, &array, sizeof(array) - 1);
        PRINTF("\n\rWRITE:\n\r");
        USART_WriteBlocking(DEMO_USART, &array, sizeof(array) - 1);
        PRINTF("\n\r");
    }
}

实验结果：

三、补充

3.1 SDK中典型使用

在NXP的QN9090的SDK中，提供了丰富的示例：

• polling method 收发
• interrupt method 收发
• ringbuffer接收数据
• DMA method 收发

文档 ： MCUXpresso SDK API Reference Manual.pdf

3.2 串口的工作原理

一个byte的数据，如何转为串口输出的bit？ 通过移位寄存器原理实现

移位寄存器原理：

初始状态： A3A2A1A0＝ 1011

然后Q3的输出，是在每个时钟节拍，按照这个先后顺序，把A3A2A1A0串行的输出出去。(小端)

其实利用的就是D触发器的特性。

如果我们使用8位的移位寄存器，就可以利用8个clk的时间，发一组8bit的数据通过一根导线传输出去。