Telink之UART篇

本文关于UART的介绍，首先借助百度百科，进行基础部分阐述

一、UART基础知识

定义：通用异步收发传输器（Universal Asynchronous Receiver/Transmitter)，通常称作UART，是一种异步收发传输器。主要功能实现串并行数据的转换，具体实物表现为模块化芯片，常常被用来作为嵌入式芯片的外设模块，与外部设备进行通信。

UART常常也被理解为一种通信协议，用来实现异步串行通信，规定了数据传输格式和波特率，多是数据链路层的概念。常常被用来和UART做对比的RS-232和RS-485则规定了数据通信的电气接口，更多的是物理层的概念。

二、UART基本结构

⑴ 输出缓冲寄存器，它接收CPU从数据总线上送来的并行数据，并加以保存。

⑵ 输出移位寄存器，它接收从输出缓冲器送来的并行数据，以发送时钟的速率把数据逐位移出，即将并行数据转换为串行数据输出。

⑶ 输入移位寄存器，它以接收时钟的速率把出现在串行数据输入线上的数据逐位移入，当数据装满后，并行送往输入缓冲寄存器，即将串行数据转换成并行数据。

⑷ 输入缓冲寄存器，它从输入移位寄存器中接收并行数据，然后由CPU取走。

⑸控制寄存器，它接收CPU送来的控制字，由控制字的内容，决定通信时的传输方式以及数据格式等。例如采用异步方式还是同步方式，数据字符的位数，有无奇偶校验，是奇校验还是偶校验，停止位的位数等参数。

⑹状态寄存器。状态寄存器中存放着接口的各种状态信息，例如输出缓冲区是否空，输入字符是否准备好等。在通信过程中，当符合某种状态时，接口中的状态检测逻辑将状态寄存器的相应位置“1”，以便让CPU查询。

三、UART设计思想

 数据发送的思想是，当启动字节发送时，通过TxD先发起始位，然后发数据位和奇偶数校验位，最后再发停止位，发送过程由发送状态机控制，每次中断只发送1个位，经过若干个定时中断完成1个字节帧的发送。

  数据接收的思想是，当不在字节帧接收过程时，每次定时中断以3倍的波特率监视RxD的状态，当其连续3次采样电平依次为1、0、0时，就认为检测到了起始位，则开始启动一次字节帧接收，字节帧接收过程由接收状态机控制，每次中断只接收1个位，经过若干个定时中断完成1个字节帧的接收。

为了提高串口的性能，在发送和接收上都实现了FIFO功能，提高通信的实时性。FIFO的长度可以进行自由定义，适应用户的不同需要。

波特率的计算按照计算公式进行，在设置最高波特率时一定要考虑模拟串口程序代码的执行时间，该定时时间必须大于模拟串口的程序的规定时间。单片机的执行速度越快，则可以实现更高的串口通讯速度。

四、UART工作原理

（1）发送与接收

发送逻辑对从发送FIFO 读取的数据执行“并→串”转换。控制逻辑输出起始位在先的串行位流，并且根据控制寄存器中已编程的配置，后面紧跟着数据位（注意：最低位 LSB 先输出）、奇偶校验位和停止位。

在检测到一个有效的起始脉冲后，接收逻辑对接收到的位流执行“串→并”转换。此外还会对溢出错误、奇偶校验错误、帧错误和线中止（line-break）错误进行检测，并将检测到的状态附加到被写入接收FIFO 的数据中。

（2）波特率产生

波特率除法器（baud-rate divisor）是一个22 位数，它由16 位整数和6 位小数组成。波特率发生器使用这两个值组成的数字来决定位周期。通过带有小数波特率的除法器，在足够高的系统时钟速率下，UART 可以产生所有标准的波特率，而误差很小。

（3）基于FIFO的数据收发

发送时，数据被写入发送FIFO。如果UART 被使能，则会按照预先设置好的参数（波特率、数据位、停止位、校验位等）开始发送数据，一直到发送FIFO 中没有数据。一旦向发送FIFO 写数据（如果FIFO 未空），UART 的忙标志位BUSY 就有效，并且在发送数据期间一直保持有效。BUSY 位仅在发送FIFO 为空，且已从移位寄存器发送最后一个字符，包括停止位时才变无效。即 UART 不再使能，它也可以指示忙状态。

在UART 接收器空闲时，如果数据输入变成“低电平”，即接收到了起始位，则接收计数器开始运行，并且数据在Baud16 的第8 个周期被采样。如果Rx 在Baud16 的第8 周期仍然为低电平，则起始位有效，否则会被认为是错误的起始位并将其忽略。

如果起始位有效，则根据数据字符被编程的长度，在 Baud16 的每第 16 个周期对连续的数据位（即一个位周期之后）进行采样。如果奇偶校验模式使能，则还会检测奇偶校验位。

最后，如果Rx 为高电平，则有效的停止位被确认，否则发生帧错误。当接收到一个完整的字符时，将数据存放在接收FIFO 中。

（4）中断控制

出现以下情况时，可使UART 产生中断：

1.FIFO 溢出错误

2.线中止错误（line-break，即Rx 信号一直为0 的状态，包括校验位和停止位在内）

3.奇偶校验错误

4.帧错误（停止位不为1）

5.接收超时（接收FIFO 已有数据但未满，而后续数据长时间不来）

6.发送

7.接收

由于所有中断事件在发送到中断控制器之前会一起进行“或运算”操作，所以任意时刻 UART 只能向中断产生一个中断请求。通过查询中断状态函数，软件可以在同一个中断服务函数里处理多个中断事件（多个并列的if 语句）。

五、UART的FIFO操作

FIFO 是“First-In First-Out”的缩写，意为“先进先出”，是一种常见的队列操作。 Stellaris 系列ARM 的UART 模块包含有2 个16 字节的FIFO：一个用于发送，另一个用于接收。可以将两个FIFO 分别配置为以不同深度触发中断。可供选择的配置包括：1/8、 1/4、1/2、3/4 和7/8 深度。例如，如果接收FIFO 选择1/4，则在UART 接收到4 个数据时产生接收中断。

发送FIFO的基本工作过程： 只要有数据填充到发送FIFO 里，就会立即启动发送过程。由于发送本身是个相对缓慢的过程，因此在发送的同时其它需要发送的数据还可以继续填充到发送 FIFO 里。当发送 FIFO 被填满时就不能再继续填充了，否则会造成数据丢失，此时只能等待。这个等待并不会很久，以9600 的波特率为例，等待出现一个空位的时间在1ms 上下。发送 FIFO 会按照填入数据的先后顺序把数据一个个发送出去，直到发送 FIFO 全空时为止。已发送完毕的数据会被自动清除，在发送FIFO 里同时会多出一个空位。

接收FIFO的基本工作过程： 当硬件逻辑接收到数据时，就会往接收FIFO 里填充接收到的数据。程序应当及时取走这些数据，数据被取走也是在接收FIFO 里被自动删除的过程，因此在接收 FIFO 里同时会多出一个空位。如果在接收 FIFO 里的数据未被及时取走而造成接收FIFO 已满，则以后再接收到数据时因无空位可以填充而造成数据丢失。

收发FIFO 主要是为了解决UART 收发中断过于频繁而导致CPU 效率不高的问题而引入的。在进行 UART 通信时，中断方式比轮询方式要简便且效率高。但是，如果没有收发 FIFO，则每收发一个数据都要中断处理一次，效率仍然不够高。如果有了收发FIFO，则可以在连续收发若干个数据（可多至14 个）后才产生一次中断然后一并处理，这就大大提高了收发效率。

完全不必要担心FIFO 机制可能带来的数据丢失或得不到及时处理的问题，因为它已经帮你想到了收发过程中存在的任何问题，只要在初始化配置UART 后，就可以放心收发了， FIFO 和中断例程会自动搞定一切。

六、UART的回环模式

UART 可以进入一个内部回环（Loopback）模式，用于诊断或调试。在回环模式下，从Tx 上发送的数据将被Rx 输入端接收。

七、UART与串行红外协议

在某些 Stellaris 系列 ARM 芯片里，UART 还包含一个 IrDA 串行红外（SIR）编码器/ 解码器模块。IrDA SIR 模块的作用是在异步UART数据流和半双工串行SIR 接口之间进行转换。片上不会执行任何模拟处理操作。SIR 模块的任务就是要给UART 提供一个数字编码输出和一个解码输入。UART 信号管脚可以和一个红外收发器连接以实现IrDA SIR物理层连接。

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完成基础部分的介绍之后，我们以Telink的TLSR8255F512为例（又称为5562），具体介绍该模块的组成原理及使用方法

5562的UART模块是通过UART Tx和UART Rx接口实现全双工模式的数据传输和接收；硬件流控是通过RTS和CTS接口实现的。

如图所示，数据是先通过MCU或者DMA写入到发送buffer，再通过发送引脚将数据传输给其他设备；接收数据时，数据先是通过接收引脚将数据存放到接收buffer中，再被MCU或者DMA读取。

当5562的UART模块的接收buffer接近饱和的时候，UART模块就会通过RTS发送level signal（configurable）给发送端，阻止数据发送；反之，当UART模块通过CTS引脚接收到来自接收端的level signal（configurable），也会停止数据的发送

                                

在没有使用DMA模式的情况下，数据的发送或者接收会通过循环访问4个字节的寄存器来实现。

寄存器uart_clk_div[14:0]用来配置时钟分频因子，计算公式为：

uart_sclk=sclk/(uart_clk_div[14:0]+1)

  

寄存器uart_clk_div[15]用来使能时钟分频器，只有使能了时钟分频器之后，才能通过时钟分频因子对系统时钟进行分频，从而获得UART模块的时钟。

寄存器uart ctrl0[3:0]用来配置位宽（bwpc>2），设置波特率，计算公式为：

Baudrate = uart_sclk/(uart ctrl0[3:0]+1)

根据sclk=(uart_clk_div[14:0]+1)*(uart ctrl0[3:0]+1)*Baudrate可知：在编写软件代码时，为获得标准的波特率，必须适当配置uart_clk_div[14:0]和uart ctrl0[3:0]

寄存器Uart ctrl0[5:4]用来使能UART的Tx和Rx的DMA模式。关于DMA模式做如下介绍：

常规工作情况下，UART的数据收发可由MCU控制UART的内部FIFO来完成，但具体不论是以中断还是以查询的形式，过程中总是会占用MCU的时间，即便FIFO的有效利用率达到最高时也是如此。这样，在实际应用中，当串口数据包量较大时，UART的发送过程会占用MCU很长时间，其中大多数时间是在等待一次数据传输的完成。为了节省这段时间，提高MCU的使用效率，以完成更多的数据处理，将会用到DMA控制器。

DMA（英文全称：Direct Memory Access）直接内存访问，是指不经由MCU而直接从内存中存取数据的数据交换模式。当UART使用DMA控制器控制发送过程时，MCU会将发送的控制权交给DMA控制器，从而在数据发送的时期间去处理其它过程。

UART_DmaInit();

5562的UART模块在使用DMA模式时，需要先通过配置Uart ctrl0[5:4]使能Tx和Rx的DMA模式；再者，通过配置寄存器DMA0MODE[0]和DMA1MODE[0]为UART的发送和接收选择相应的DMA 通道channel;

UART_RecBuffInit(recBuff,16);

完成上述配置之后，需要进行DMA模式下的接收buffer的配置，通过配置DMA0AL[7:0]，DMA0AM[7:0]，DMA0AH[2:0]来实现DMA模式下接收buffer起始地址的配置；接下来配置寄存器DMA0SIZE[7:0]设置DMA模式下的buffer大小：DMA0SIZEx16，因此在设置时，需要先除以16字节！

 

IRQ_UartDmaIrqEnable(FLD_UART_IRQ_RX|FLD_UART_IRQ_TX);

配置UART中断屏蔽寄存器DMAMASK[1：0]，根据需要分别进行接收中断屏蔽寄存器DMAMASK[0]和发送中断屏蔽寄存器DMAMASK[1]的配置([0]和[1]分别对应通道0和通道1，这是之前已经选择好的)；最后，通过配置MASK_0[4]=1使能DMA中断。

      

至此，完成了对UART的DMA模式的基本配置，现在我们来看一下，UART的发送函数UART_Send（unsigned char* Addr）

                          

如上图所示，DMA模式下，数据的发送原理：存储在SRAM中的数据，在DMA控制器作用下开始执行数据搬运工作：

1.将数据从SRAM中搬运到UART，搬运完成后产生0x526:DMA1 packetx transferred flag=1；

2.再由UART将数据发送出去，发送完成后产生0x9e:Txdone:irq_sts[0]=1；

在操作第一步时，首先设置SRAM buffer size，该设置是通过所发送数据的前4个字节实现的，硬件默认将所发送数据的前4个字节作为SRAM buffer size ，比如发送的数据字节存放在trans_buf[16]数组中，那么trans_buf[0]~trans_buf[3]依次存放SRAM buffer size 的低字节到高字节，trans_buf[0]=0x6，trans_buf[1]=0x00，trans_buf[2]=0x00，trans_buf[3]=0x00，即SRAM buffer size=6，数据发送从trans_buf[4]开始，总共6个字节；

完成SRAM buffer size的设置之后，需要通过配置0xc24:DMAREADY0[1]=1启动DMA数据包搬运工作;

第二步操作由UART模块自动完成，我们只需要在再次发送前检查发送完成标识位0x9e:Txdone:irq_sts[0]即可。

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总结一下，DMA模式下所用到的配置寄存器如下：

1.与波特率相关的寄存器：uart_clk_div[14:0]，uart ctrl0[3:0] 

(关键公式：sclk=(uart_clk_div[14:0]+1)*(uart ctrl0[3:0]+1)*Baudrate)

2.与FIFO相关的寄存器：uart_data_buf0~uart_data_buf3

（4层FIFO，常规模式下循环访问它来进行数据收发；DMA模式下，由DMA控制，自动访问实现数据收发，不需设置）

3.与DMA模式相关的寄存器：

1) Uart ctrl0[5:4]，DMA0MODE[0]和DMA1MODE[0]

（前者使能Rx和Tx的DMA模式；后者为Rx和Tx配置DMA通道，这里分别配置的是通道0和通道1）

2) DMA0AL[7:0]，DMA0AM[7:0]，DMA0AH[2:0]，DMA0SIZE[7:0]

（前三个是进行DMA模式下的接收buffer的首地址配置；后者是进行接收buffer大小配置）

    3)  DMAMASK[1：0]，MASK_0[4]

（前者是开启通道0和通道1的中断屏蔽寄存器；后者是开启DMA中断）

4.与发送相关的寄存器：

     1)  DMA1AL[7：0]，DMA1AM[7：0]，DMA1AH[2：0]

（设置待发送缓存区的首地址；硬件默认将所发送数据的前4个字节作为SRAM buffer size，自动偏移4个地址作为待发

送数据的首地址）

     2)  设置DMAREADY0[1]=1，来启动DMA数据的搬运工作，此时，UART就会在DMA的控制下完成数据的发送工作

   3)  两个重要的标识位（再次发送时只需要判断发送完成标识位即可）：

（1）将数据从SRAM中搬运到UART，搬运完成后产生0x526:DMA1 packetx transferred flag=1；

（2）再由UART将数据发送出去，发送完成后产生0x9e:Txdone:irq_sts[0]=1(只读)；

注意：标识位在被读取完成之后是被自动清除的

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以上详细描述了整个UART的DMA模式下寄存器配置使用和基本工作原理，

  

                        uart基本结构