UART是什么?串口工作過程分析

一、UART是什么

UART是通用異步收發(fā)傳輸器（Universal Asynchronous Receiver/Transmitter)，通常稱作UART，是一種異步收發(fā)傳輸器,是設(shè)備間進(jìn)行異步通信的關(guān)鍵模塊。UART負(fù)責(zé)處理數(shù)據(jù)總線和串行口之間的串/并、并/串轉(zhuǎn)換，并規(guī)定了幀格式；通信雙方只要采用相同的幀格式和波特率，就能在未共享時鐘信號的情況下，僅用兩根信號線（Rx 和Tx）就可以完成通信過程，因此也稱為異步串行通信。

若加入一個合適的電平轉(zhuǎn)換器，如SP3232E、SP3485，UART 還能用于RS-232、RS-485 通信，或與計(jì)算機(jī)的端口連接。UART 應(yīng)用非常廣泛，手機(jī)、工業(yè)控制、PC 等應(yīng)用中都要用到UART。

UART使用的是 異步，串行通信。 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(diǎn)是通信線路簡單，利用簡單的線纜就可實(shí)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。 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多少是不固定的，然而在同一個字符中的兩個相鄰位間的時間間隔是固定的。 數(shù)據(jù)傳送速率用波特率來表示，即每秒鐘傳送的二進(jìn)制位數(shù)。例如數(shù)據(jù)傳送速率為120字符/秒，而每一個字符為10位（1個起始位，7個數(shù)據(jù)位，1個校驗(yàn)位，1個結(jié)束位），則其傳送的波特率為10×120＝1200字符/秒＝1200波特。 數(shù)據(jù)通信格式如下圖：

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。數(shù)據(jù)位：可以是5~8位邏輯”0”或”1”。如ASCII碼（7位），擴(kuò)展BCD碼（8位）。小端傳輸校驗(yàn)位：數(shù)據(jù)位加上這一位后，使得“1”的位數(shù)應(yīng)為偶數(shù)(偶校驗(yàn))或奇數(shù)(奇校驗(yàn))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?？臻e位：處于邏輯“1”狀態(tài)，表示當(dāng)前線路上沒有資料傳送。 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(shí)現(xiàn)發(fā)送與接收方的時鐘自同步的）

總結(jié)起來，如果我們要配置串口通信，至少要設(shè)置一下幾個參數(shù)：字長（即一次傳輸數(shù)據(jù)的長度）、波特率（即每秒傳輸?shù)臄?shù)據(jù)位數(shù)）、奇偶校驗(yàn)位及停止位。

二、串口工作過程分析

USART是通用同步/異步收發(fā)器

UART是通用異步收發(fā)器

由于常用的是異步模式，所以在此我們都是只需要使用UART。

我們先介紹串口發(fā)送的過程，我們先來看一下串口架構(gòu)圖：

可以看出，串口外設(shè)的架構(gòu)圖乍一看略微復(fù)雜，這里我們分開進(jìn)行分析：

我們直接從發(fā)送（TX）和接收（RX）開始講起。

RX和TX此處不做過多介紹。

根據(jù)下圖紅色箭頭標(biāo)記可以看出：對于接收來說，它經(jīng)過編解碼模塊，然后直接進(jìn)入到了接收移位寄存器，接收移位寄存器一位一位的接收數(shù)據(jù)，然后再將接收到的數(shù)據(jù)一次性寫到接收數(shù)據(jù)寄存器（RDR）中，這樣，CPU就可以通過讀取接收數(shù)據(jù)寄存器（RDR）來讀到接收的數(shù)據(jù)。

同樣，對于發(fā)送來說，CPU將數(shù)據(jù)寫入到發(fā)送數(shù)據(jù)寄存器（TDR），發(fā)送數(shù)據(jù)寄存器（TDR）將數(shù)據(jù)一次性的發(fā)送給發(fā)送移位寄存器，然后再根據(jù)波特率將數(shù)據(jù)一位一位的移出。如下圖：

我們知道，發(fā)送和接收事先要確定好波特率，那么波特率是怎么配置的呢？我們順著箭頭繼續(xù)往下找：

根據(jù)上圖所示，我們不難看出：波特率是通過發(fā)送控制器和接收控制器分別控制發(fā)送器時鐘和接收器時鐘，然后傳輸?shù)桨l(fā)送移位寄存器和接收移位寄存器中的。

通過上圖我們還可以看出：發(fā)送器時鐘和接收器時鐘來自同一單元。我們現(xiàn)在就來分析一下這兩個時鐘是怎么產(chǎn)生的。

上文中已經(jīng)介紹過，波特率實(shí)際上就是每秒傳輸?shù)亩M(jìn)制位數(shù)，通過對時鐘的控制可以改變波特率。我們向波特比率寄存器（即上圖中的USART_BRR）寫入?yún)?shù)，修改了串口時鐘的分頻值USARTDIV。

USART_BRR寄存器包括兩個部分：DIV_Mantissa（即USARTDIV的整數(shù)部分）和DIV_Fraction（即USARTDIV的小數(shù)部分）。計(jì)算公式為：USARTDIV=DIV_Mantissa+(DIV_Fraction/16)。

波特率計(jì)算公式如下：

我們只要知道了USARTDIV的值，就可以知道串口波特率寄存器的值。

舉一個簡單的例子：假設(shè)我們串口1要設(shè)置的波特率為115200，PLCK2的時鐘頻率為72MHz，根據(jù)上面的公式，我們可以得出：

USARTDIV=72000000/（16*115200）=39.0625

由此 我們就可以得到DIV_Fraction=16*0.0625=1=0x01;

DIV_Mantissa=39=0x27。由于USARTDIV是對串口外設(shè)的時鐘源進(jìn)行分頻，不同的USART掛載的總線并不相同，所以它們的時鐘源fPCLK也不相同。USART1掛載在APB2總線上，其時鐘源為fPCLK2；USART2、3、4、5掛載在APB1上，其時鐘源為fPCLK1。串口的時鐘源經(jīng)過USARTDIV分頻后，分別輸出作為發(fā)送器時鐘及接收器時鐘，來控制發(fā)送和接收的時序。

三、程序分析

首先，我們打開iBox開發(fā)板的例程USART_DEMO，在左側(cè)的工程目錄中找到USER工程文件夾點(diǎn)擊前方的“+”，找到main.c文件并打開。

我們可以看到，在主函數(shù)上面有一個fputc(intch, FILE *f)函數(shù)。

這個函數(shù)的功能是將一個字符寫入到文件中。其參數(shù)包括：Ch要寫入的字符； *f指向FILE結(jié)構(gòu)的指針。

接下來我們來看一下主函數(shù):

上圖中的兩行代碼分別為定義GPIO結(jié)構(gòu)體和定義USART結(jié)構(gòu)體。

上面的函數(shù)是使能APB2總線上的串口時鐘，同時啟動GPIOA端口。

上圖中的代碼是對GPIO端口的配置。其配置方法在第三講中有提及到，我們可以看出其配置的是PA9端口。因?yàn)镻A9端口同時也是USART1_TX，即串口的發(fā)送數(shù)據(jù)端口。

上圖中的代碼是對PA10端口的配置。因?yàn)镻A10端口同時也是USART1_RX，即串口的接收數(shù)據(jù)端口。

我們看一下GPIO的工作模式：GPIO_Pin_9的工作模式為復(fù)用推挽輸出；GPIO_Pin_10的工作模式為浮空輸入。我們可以在STM32參考手冊中找到GPIO配置中關(guān)于USART的配置，如下表：

我們工作模式為全雙工，所以根據(jù)表格，配置好相應(yīng)的GPIO端口工作模式，分別為復(fù)用推挽輸出和浮空輸入。

接下來就是對串口的初始化和配置。如上圖所示。我們逐行分析。

在此之前，我們可以在工程目錄種先找到stm32f10x_usart.h（可以在main.c下面找到，因?yàn)槲覀兊膍ain函數(shù)包含了此庫函數(shù)），即USART庫函數(shù)。

我們可以在最下面找到許多函數(shù)聲明。我們可以在用戶手冊種找到這些函數(shù)的描述，大家可以簡單了解一下。

我們繼續(xù)瀏覽stm32f10x_usart.h庫函數(shù)，可以找到typedef struct,如下圖（為方便截圖，在此已將注釋隱藏）：

我們可以發(fā)現(xiàn) 我們程序種需要配置的USART相關(guān)參數(shù)都在這里有所聲明。不僅如此，繼續(xù)向下翻閱還可以找到所需配置的相關(guān)參數(shù)（由于代碼略多，在此不做截圖，讀者可自己查閱）。

uint32_t USART_BaudRate：該成員設(shè)置了USART傳輸?shù)牟ㄌ芈省?

uint16_t USART_WordLength：提示了在一個幀中傳輸或者接收到的數(shù)據(jù)位數(shù)?？扇≈禐椋篣SART_WoedLength_8b(8位數(shù)據(jù))和USART_WoedLength_9b(9位數(shù)據(jù))。

uint16_t USART_StopBits：在幀尾傳輸?shù)耐Ｖ刮?。其定義為USART_StopBits_0.5（0.5個停止位）、USART_StopBits_1（1個停止位）、USART_StopBits_1.5（1.5個停止位）、USART_StopBits_2（2個停止位）。

uint16_t USART_Parity：奇偶校驗(yàn)位。其定義為USART_Parity_No（不使用）、USART_Parity_Even（偶模式）、USART_Parity_Odd（奇模式）。

uint16_t USART_Mode：指定了使能或者失能發(fā)送和接收模式。其定義為：USART_Mode_Rx（接收使能）、USART_Mode_Tx（發(fā)送使能）。uint16_t USART_HardwareFlowControl：制定了硬件流控制模式是使能還是失能。其定義為：USART_HardwareFlowControl_RTS（發(fā)送請求RTS使能）、USART_HardwareFlowControl_CTS（清除發(fā)送CTS使能）、USART_HardwareFlowControl_RTS_CTS（RTS和CTS使能）。

USART_Clock、USART_CPOL、USART_CPHA和USART_LastBit在同步模式下才需要配置，在此暫時不做解釋。

了解了這些，對串口的初始化和配置分析就非常容易了。我們回到主函數(shù)，觀察串口初始化和配置的幾行代碼：

上圖代碼是將波特率設(shè)置為115200。

上圖代碼定義了數(shù)據(jù)位數(shù)為8位數(shù)據(jù)。

上圖代碼設(shè)定了在幀尾傳輸一個停止位。

上圖代碼設(shè)定了不使用奇偶校驗(yàn)。

上圖代碼設(shè)定了不使用硬件流控制模式。

上圖代碼定義了發(fā)送和接收模式：使能發(fā)送和使能接收。

上圖種兩行代碼第一行為串口初始化，第二行為使能串口。

最后，我們循環(huán)打印“USART Printf Example: retarget the C library printf function to the USART”。

接下來，我們觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象：首先將程序燒錄到iBox中，然后我們使用USB轉(zhuǎn)TTL串口工具將iBox與電腦連接，如下圖所示：

iBox的J12接口從左到右依次為：TX、RX和GND（注意：我們沒有為iBox接電源，iBox需要單獨(dú)供電）。

接下來，我們打開串口助手。

如上圖：首先我們需要根據(jù)我們的程序配置串口（不同助手界面可能有所不同）。

設(shè)置好參數(shù)后，我們將程序燒錄到iBox中，觀察串口助手。