串行通信协议 —— UART
UART ——Universal Asynchronous Receiver/Transmitter —— 通用異步收發器
一、UART簡介
（強烈推薦一篇詳細介紹UART的博客：https://www.cnblogs.com/mylinux/p/4078576.html）
UART是異步串口通信協議，
工作原理是將傳輸數據的每個字符一位接一位地傳輸，它能將要傳輸的資料在串行通信與并行通信之間加以轉換，能夠靈活地與外部設備進行全雙工數據交換。
USART是UART的升級版，其支持同步模式，用法與UART相同
二、概念辨析
------------------------------------UART COM口 串口 USB口 RS - 232 TTL---------------------------------------------
UART，在硬件上表現為串口收發的邏輯電路，可被集成為獨立地模塊化芯片
COM口，串行通信端口，有時也稱為串口，是一種連接器的結構，這里區別于USB的“通用串行總線”和硬盤的“SATA”，串口的接口標準規范和總線標準規范是RS-232
常見的有兩種物理標準，D型9針插頭，和4針杜邦頭，
USB口：通用串行總線，和串口完全是兩個概念。雖然也是串行方式通信，但由于USB的通信時序和信號電平都和串口完全不同，因此和串口沒有任何關系。USB是高速的通信接口，用于PC連接各種外設，U盤、鍵鼠、移動硬盤、當然也包括“USB轉串口”的模塊。（USB轉串口模塊，就是USB接口的UART模塊）
TTL，RS232，RS485等都是一種邏輯電平的表示方式，詳見：A
三、UART原理說明
發送數據時，CPU將并行數據寫入UART，UART按照一定格式在一根電線上串行發出；接收數據時，UART檢測另一根電線上的信號，將串行收集放在緩沖區，CPU就可以讀取UART獲取這些數據。
TxD —— 發送數據 RxD —— 接收數據 Gnd —— 用于給雙方提供參考電平
UART使用標準的TTL / CMOS 邏輯電平來表示數據，高電平表示1，低電平為0,。為了增強數據的抗干擾能力，提高傳輸長度，通常將TTL / COMS邏輯電平轉換為RS-232邏輯電平
數據傳輸流程：以傳輸一字節數據‘A’為例
傳送時，數據的低位在前，高位在后
傳送開始前，發收雙方把所采用的起止式格式（包括字符的數據位長度，停止位位數，有無校驗位以及是奇校驗還是偶校驗等）和數據傳輸速率---波特率（每一位占據的時間）作統一規定。
規定傳輸協議
1）平時數據線處于“空閉”狀態（1狀態）
2）當要發送數據時，UART改變TxD數據線的狀態，變為0狀態，并維持一位的時間，這樣接收方檢測到開始位后，再等待1.5位的時間就開始一位一位地檢測數據線的狀態得到所傳輸的數據。
3）UART一幀中可以有5/6/7/8位的數據，發送方一位一位的改變數據線的狀態將數據發送出去，首先發送最低位
4）如果使用校驗功能，UART在發送完數據后，還要發送一個校驗位：奇校驗，偶校驗——數據位連同校驗位中，“1”的數目屬于奇數或偶數。
5）最后發送停止位，數據線恢復到“空閉”狀態（1狀態），停止位長度有三種：1位、1.5位、2位
圖1-1 TTL / COMS邏輯電平下，傳輸A時的波形
圖1-2 RS - 232邏輯電平下，傳輸數據A的波形
對于TTL / CMOS 電平，在xV至5V之間，就認為是邏輯1，在0V至yV之間就為邏輯0。
對于RS - 232電平，在-12V至-3V之間，就認為是邏輯1，在+3V至+12V之間就為邏輯0。
RS-232的電平比TTL/CMOS高，能傳輸更遠的距離，在工業上用得比較多。
在ARM芯片上的串口都是TTL電平的，通過板子或外接電平轉換芯片，可以轉成RS232標準的接口。如圖2-1所示
如今終端上的RS-232標準的接口越來越少，越多的是USB口，因也可以使用USB轉串口芯片將TTL電平轉為USB傳輸電平。
四、異步串行通信的特點
所謂異步通信，是指數據傳送以字節為單位，字符與字符間的傳送是完全異步的，位與位的傳送基本是同步的。
特點：
1）以字符為單位傳送信息
2）相鄰兩字符間的間隔任意長
3）由于一個字符的波特位長度有限，所以需要接受時鐘和發送時鐘相近就可以
4）字符間異步，字符內同步
五、基本結構
圖3-1 UART結構圖
ARM處理器中UART功能相似，都有獨立的通道，每個通道都可工作于中斷或DMA模式，即UART可以發出中斷或DMA請求以便在UART、CPU間傳輸數據。具體的UART特性可參見不同芯片的芯片手冊。以下以S3C2440芯片分析UART的使用過程。
S3C2440 UART的FIFO深度為64字節。發送數據時，CPU先將數據寫入發送FIFO中，然后UART自動將FIFO的數據復制到“發送移位器”中，發送移位器將數據一位一位地發送到TxDn數據線上（按照設定的格式，插入開始位，校驗位和停止位）。接收數據時，“接收移位器”將RxDn數據線上的數據一位一位接收進來，然后復制到FIFO中，CPU即可從中讀取數據。UART的結構如圖3-1所示。
六、使用UART
在UART通道0上實現最簡單的字符發送與接收功能
1、看原理圖，找到對應引腳
使用TxD0與RxD0，對應GPH2, GPH3
2、設置波特率
每個UART的波特率發生器要為發送器與接收器提供串行時鐘，對于S3C2440，其波特率發送器的時鐘源可以選擇
PCLK（外設時鐘），FCLK/n（幀時鐘），UEXTCLK，設置波特率可以通過UART波特率分頻寄存器所得，有以下公式：
UBRDIVn = (int)( UART 時鐘源 / ( 波特率 x 16) ) –1
PCLK = 50MHZ = 50000000，使用波特率115200，得出UBRDIVn=26
接下來看如何設置相關寄存器：
1) UCON0 —— UART 控制寄存器
選擇PCLK外設時鐘作為時鐘源，
僅需設置[11:10] - 時鐘選擇，設置成0，對于[15:12]為時鐘源為FCLK情況下的設置，故不用設置。
[9:4]位，為uart中斷相關，暫時不用設置。
接收模式和接收模式都設置為中斷或查詢模式。[3:0] = 0101
由上：UCON0 = 0x00000005; UBRDIVn=26;
3、設置其他的特殊寄存器
1）ULCON -- UART線路控制寄存器
不使用紅外模式；奇偶校驗位，暫時不設置；停止位設置為0，使用一個停止位；傳送的數據位數選擇8位；
ULCON0 = 0x00000003;
2）UFCON0 --- FIFO控制寄存器
FIFO在UART傳輸大量數據的時候有很大作用，暫時先不設置，保持默認值
3）UMCON0 --- 流量控制寄存器
默認值
4）UTRSTAT0 -- Tx / Rx狀態寄存器
發送器空[2]=1，說明發送緩沖空間為空，且移位寄存器里的數據已經發送出去，因此可以通過判斷這
一位，當其為1時，就可往里面寫數據。
接收緩沖器，[0]=1, 有數據，可以讀取
5）UFRSTAT0 -- 錯誤狀態寄存器
假設一切正常，默認值
6）UFSTAT0 -- FIFO狀態寄存器
暫時沒用到FIFO，不用設置（對于2440，使用FIFO時，緩沖區可以存放64字節的數據，不使用FIFO
只能存放1字節的數據）
7）UMSTAT0 -- MODEM狀態寄存器
不用設置
8）UTXH0 與 URXH0 ---發送/接收緩沖寄存器
發送數據，將數據寫入UTXH0即可，接收數據，從URXH0讀即可
七、示例
1 #include "uart.h"
2
3 int main(void)
4 {
5 unsigned char c;
6
7 uart0_init();
8 puts("Hello, world!
");
9
10 while(1)
11 {
12 c = getchar();
13 if (c == '')
14 {
15 putchar('
');
16 }
17
18 if (c == '
')
19 {
20 putchar('');
21 }
22
23 putchar(c);
24 }
25 return 0;
26 }
main.c
1 #define __REG(x) (*(volatile unsigned int *)(x))
2 #define GPHCON __REG(0x56000070) //Port H control
3 #define GPHUP __REG(0x56000078) //Pull-up control H
4 #define UCON0 __REG(0x50000004) //UART 0 control
5 #define UBRDIV0 __REG(0x50000028) //UART 0 baud rate divisor
6 #define ULCON0 __REG(0x50000000) //UART 0 line control
7 #define UTRSTAT0 __REG(0x50000010) //UART 0 Tx/Rx status
8 #define UTXH0 __REG_BYTE(0x50000020) //UART 0 transmission hold
9 #define URXH0 __REG_BYTE(0x50000024) //UART 0 receive
10
11
12 void uart0_init()
13 {
14 /* 設置引腳用于串口 */
15 /* GPH2->TxD0->[5:4]=10，GPH3->RxD0->[7:6]=10 ,即[7:4]=1010*/
16 GPHCON &= ~((3<<4) | (3<<6)); //先將第5位到第8位清零，~(110000 | 11000000) = ~1111000 = 00001111
17 GPHCON |= ((2<<4) | (2<<6)); //(100000 | 10000000) = 10100000,由于[7:4]已經清零了。所以直接或上就可以
18
19 GPHUP &= ~((1<<2) | (1<<3)) ; //將2,3引腳使能內部上拉，將[2:3]=00
20
21 /* 設置波特率 */
22 /**UBRDIVn = (int)( UART clock / ( buad rate x 16) ) –1*/
23 /*UART CLOCK設置為PCLK (50MHZ)= 50000000， UBRDIV0 = 26*/
24 UCON0 = 0x00000005; /*PCLK,查詢/中斷*/
25 UBRDIV0 = 26;
26
27 /* 設置數據格式 */
28 ULCON0 = 0x00000003; /* 8n1:8個數據位，沒有校驗位，1個停止位 */
29
30 /* */
31 }
32
33 int putchar(int c)
34 {
35 /* UTRSTAT0 -- 發送接收狀態寄存器*/
36 /* UTXH0 發送緩沖寄存器 */
37 while(!(UTRSTAT0 & (1<<2))) ; //UTRSTAT0的[2]不為1，說明有數據，循環等待
38 UTXH0 = (unsigned char)c; //沒有數據，寫入數據
39
40 }
41
42 int getchar(void)
43 {
44 /* URXH0 接收緩沖寄存器 */
45 while(!(UTRSTAT0 & (1<<0))) ; //UTRSTAT0的[1]不為1，說明沒有數據在接收緩沖區，循環等待
46 return URXH0; //有數據，讀出數據
47
48 }
49
50 int puts(const char *s)
51 {
52 while(*s)
53 {
54 putchar(*s);
55 s++;
56 }
57 }
uart.c
1 #ifndef _UART_H 2 #define _UART_H 3 4 void uart0_init(); 5 int putchar(int c); 6 int getchar(void); 7 int puts(const char *s); 8 9 #endif
uart.h
1 all: 2 arm-linux-gcc -c -o uart.o uart.c 3 arm-linux-gcc -c -o main.o main.c 4 arm-linux-gcc -c -o start.o start.S 5 arm-linux-ld -Ttext 0 start.o uart.o main.o -o uart.elf 6 arm-linux-objcopy -O binary -S uart.elf uart.bin 7 arm-linux-objdump -D uart.elf > uart.dis 8 clean: 9 rm *.bin *.o *.elf *.dis
Makefile
1 .text 2 .global _start 3 4 _start: 5 6 /* 關閉看門狗 */ 7 ldr r0, =0x53000000 8 ldr r1, =0 9 str r1, [r0] 10 11 /* 設置MPLL, FCLK : HCLK : PCLK = 400m : 100m : 50m */ 12 /* LOCKTIME(0x4C000000) = 0xFFFFFFFF */ 13 ldr r0, =0x4C000000 14 ldr r1, =0xFFFFFFFF 15 str r1, [r0] 16 17 /* CLKDIVN(0x4C000014) = 0X5, tFCLK:tHCLK:tPCLK = 1:4:8 */ 18 ldr r0, =0x4C000014 19 ldr r1, =0x5 20 str r1, [r0] 21 22 /* 設置CPU工作于異步模式 */ 23 mrc p15,0,r0,c1,c0,0 24 orr r0,r0,#0xc0000000 //R1_nF:OR:R1_iA 25 mcr p15,0,r0,c1,c0,0 26 27 /* 設置MPLLCON(0x4C000004) = (92<<12)|(1<<4)|(1<<0) 28 * m = MDIV+8 = 92+8=100 29 * p = PDIV+2 = 1+2 = 3 30 * s = SDIV = 1 31 * FCLK = 2*m*Fin/(p*2^s) = 2*100*12/(3*2^1)=400M 32 */ 33 ldr r0, =0x4C000004 34 ldr r1, =(92<<12)|(1<<4)|(1<<0) 35 str r1, [r0] 36 37 /* 一旦設置PLL, 就會鎖定lock time直到PLL輸出穩定 38 * 然后CPU工作于新的頻率FCLK 39 */ 40 41 42 43 /* 設置內存: sp 棧 */ 44 /* 分辨是nor/nand啟動 45 * 寫0到0地址, 再讀出來 46 * 如果得到0, 表示0地址上的內容被修改了, 它對應ram, 這就是nand啟動 47 * 否則就是nor啟動 48 */ 49 mov r1, #0 50 ldr r0, [r1] /* 讀出原來的值備份 */ 51 str r1, [r1] /* 0->[0] */ 52 ldr r2, [r1] /* r2=[0] */ 53 cmp r1, r2 /* r1==r2? 如果相等表示是NAND啟動 */ 54 ldr sp, =0x40000000+4096 /* 先假設是nor啟動 */ 55 moveq sp, #4096 /* nand啟動 */ 56 streq r0, [r1] /* 恢復原來的值 */ 57 58 59 bl main 60 61 halt: 62 b halt 63
start.s
結果：
小結：
簡要描述串行通信協議
通信協議，
即通信雙方約定的一種協議，約定內容包括：數據格式，同步方式，傳輸速度，傳輸步驟，檢糾錯方式等。
串口通信協議：
通常分為同步協議與異步，此處描述的是異步串口通信協議，UART。
UART是異步，全雙工的通信協議，以字符為單位，按照順序逐位進行傳送。有兩根線，RXD接收數據、TXD發送數據；
傳送每個字符都是以起始位開始，以停止位結束，傳送時，數據的低位在前，高位在后；
在傳輸數據前，收發雙方會對傳輸協議做統一規定：數據位長度—8位、停止位位數—1位、奇校驗、傳輸速率115200bit/s
現以發送數據為例：
TxD在空閑時和停止位時都是高電平,當想要發送數據，先發送一個起始位，即改變TxD為低電平維持一位的時間，借著就
傳輸8位數據位與1位奇校驗位與一個高電平的停止位，接受方檢測到下降沿并確認為起始位后，就開始接收數據位，
校驗位與停止位，且將停止位去掉，將數據位拼接為并行字節，經校驗無錯，就算接收一個字符完畢。發送端繼續發送數據，接收端繼續接收，直至數據傳輸完畢。
參考文檔：
嵌入式LINUX應用開發 —— 韋東山
基于STM32之UART串口通信協議（一）詳解
串口、COM口、UART口, TTL、RS-232、RS-485區別詳解
總結
以上是生活随笔為你收集整理的串行通信协议 —— UART的全部內容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。
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