2016.12.26_USART串口的使用总结

                    串口的使用总结

1. 波特率
在串行通信中,用 ” 波特率 ” 来描述数据的传输速率.所谓波特率,即每秒钟传送的二进制位数,其单位为 bps ( bits per second ).它是衡量串行数据速度快慢的重要指标.有时也用 ” 位周期 ” 来表示传输速率,位周期是波特率的倒数.国际上规定了一个标准波特率系列: 110 、 300 、 600 、 1200 、 1800 、 2400、4800 、 9600 、 14.4Kbps 、 19.2Kbps 、 28.8Kbps 、 33.6Kbps 、 56Kbps 。
例如: 9600bps ,指每秒传送 9600 位,包含字符的数位和其它必须的数位,如奇偶校验位等. 大多数串行接口电路的接收波特率和发送波特率可以分别设置,但接收方的接收波特率必须与发送方的发送波特率相同.通信线上所传输的字符数据(代码)是逐为位传送的, 1 个字符由若干位组成,因此每秒钟所传输的字符数(字符速率)和波特率是两种概念.在串行通信中,所说的传输速率是指波特率,而不是指字符速率,它们两者的关系是:假如在异步串行通信中,传送一个字符,包括 12 位(其中有一个起始位, 8 个数据位, 一个校验位，2 个停止位),其传输速率是 1200b/s ,每秒所能传送的字符数是 1200/(1+8+1+2)=100 个。
2. 发送／接收时钟
在串行传输过程中,二进制数据序列是以数字信号波形的形式出现的,如何对这些数字波形定时发送出去或接收进来,以及如何对发／收双方之间的数据传输进行同步控制的问题就引出了发送／接收时钟的应用.
在发送数据时,发送器在发送时钟(下降沿)作用下将发送移位寄存器的数据按串行移位输出；在接收数据时,接收器在接收时钟(上升盐)作用下对来自通信线上串行数据,按位串行移入移位寄存器.可见,发送／接收时钟是对数字波形的每一位进行移位操作,因此,从这个意义上来讲,发送／接收时钟又可叫做移位始终脉冲.另外,从数据传输过程中,收方进行同步检测的角度来看,接收时钟成为收方保证正确接收数据的重要工具.为此,接收器采用比波特率更高频率的时钟来提高定位采样的分辨能力和抗干扰能力.
3. 波特率因子
在波特率指定后,输入移位寄存器 / 输出移位寄存器在接收时钟 / 发送时钟控制下,按指定的波特率速度进行移位.一般几个时钟脉冲移位一次.要求:接收时钟/ 发送时钟是波特率的 16 、 32 或 64 倍.波特率因子就是发送／接收 1 个数据( 1 个数据位)所需要的时钟脉冲个数,其单位是个／位.如波特率因子为 16 ,则16 个时钟脉冲移位 1 次. 例:波特率 =9600bps ,波特率因子 =32 ,则接收时钟和发送时钟频率 =9600 × 32=297200Hz .
4. 传输距离
串行通信中,数据位信号流在信号线上传输时,要引起畸变,畸变的大小与以下因素有关:
波特率 – 信号线的特征(频带范围)
传输距离 – 信号的性质及大小(电平高低、电流大小) 当畸变较大时,接收方出现误码.
在规定的误码率下,当波特率、信号线、信号的性质及大小一定时,串行通信的传输距离就一定.为了加大传输距离,必须加MODEM.

1.7.5.1、FIFO模式及其作用
(1)典型的串口设计，发送/接收缓冲区只有1字节，每次发送/接收只能处理1帧数据。这样在单片机中没什么问题，但是到复杂SoC中（一般有操作系统的）就会有问题，会导致效率低下，因为CPU需要不断切换上下文。
(2)解决方案就是想办法扩展串口控制器的发送/接收缓冲区，譬如将发送/接收缓冲器设置为64字节，CPU一次过来直接给发送缓冲区64字节的待发送数据，然后transmitter慢慢发，发完再找CPU再要64字节。但是串口控制器本来的发送/接收缓冲区是固定的1字节长度的，所以做了个变相的扩展，就是FIFO。
(3)FIFO就是first in first out，先进先出。fifo其实是一种数据结构，这里这个大的缓冲区叫FIFO是因为这个缓冲区的工作方式类似于FIFO这种数据结构。

1.7.5.2、DMA模式及其作用
(1)DMA direct memory access，直接内存访问。DMA本来是DSP中的一种技术，DMA技术的核心就是在交换数据时不需要CPU参与，模块可以自己完成。
(2)DMA模式要解决的问题和上面FIFO模式是同一个问题，就是串口发送/接收要频繁的折腾CPU造成CPU反复切换上下文导致系统效率低下。
(3)传统的串口工作方式（无FIFO无DMA）效率是最低的，适合低端单片机；高端单片机上CPU事物繁忙所以都需要串口能够自己完成大量数据发送/接收。这时候就需要FIFO或者DMA模式。FIFO模式是一种轻量级的解决方案，DMA模式适合大量数据迸发式的发送/接收时。
1.7.6.1、串行通信与中断的关系
(1)串口通信分为发送/接收2部分。发送方一般不需要（也可以使用）中断即可完成发送，接收方必须（一般来说必须，也可以轮询方式接收）使用中断来接收。
(2)发送方可以选择使用中断，也可以选择不使用中断。使用中断的工作情景是：发送方先设置好中断并绑定一个中断处理程序，然后发送方丢一帧数据给transmitter，transmitter发送耗费一段时间来发送这一帧数据，这段时间内发送方CPU可以去做别的事情，等transmitter发送完成后会产生一个TXD中断，该中断会导致事先绑定的中断处理程序执行，在中断处理程序中CPU会切换回来继续给transmitter放一帧数据，然后CPU切换离开；不使用中断的工作情景是：发送方事先禁止TXD中断（当然也不需要给相应的中断处理程序了），发送方CPU给一帧数据到transmitter，然后transmitter耗费一段时间来发送这帧数据，这段时间CPU在这等着（CPU没有切换去做别的事情），待发送方发送完成后CPU再给它一帧数据继续发送直到所有数据发完。CPU是怎么知道transmitter已经发送完了？原来是有个状态寄存器，状态寄存器中有一个位叫发送缓冲区空标志，transmitter发送完成（发送缓冲区空了）就会给这个标志位置位，CPU就是通过不断查询这个标志位为1还是0来指导发送是否已经完成的。
(3)因为串口通信是异步的，异步的意思就是说发送方占主导权。也就是说发送方随时想发就能发，但是接收方只有时刻等待才不会丢失数据。所以这个差异就导致发送方可以不用中断，而接收方不得不使用中断模式。

1.7.6.2、210串行通信接口的时钟设计
(1)串口通信为什么需要时钟？因为串口通信需要一个固定的波特率，所以transmitter和receiver都需要一个时钟信号。
(2)时钟信号从哪里来？源时钟信号是外部APB总线（PCLK_PSYS，66MHz）提供给串口模块的（这就是为什么我们说串口是挂在APB总线上的），然后进到串口控制器内部后给波特率发生器（实质上是一个分频器），在波特率发生器中进行分频，分频后得到一个低频时钟，这个时钟就是给transmitter和receiver使用的。
(3)串口通信中时钟的设置主要看寄存器设置。重点的有：寄存器源设置（为串口控制器选择源时钟，一般选择为PCLK_PSYS，也可以是SCLK_UART），还有波特率发生器的2个寄存器。
(4)波特率发生器有2个重要寄存器：UBRDIVn和UDIVSLOTn，其中UBRDIVn是主要的设置波特率的寄存器，UDIVSLOTn是用来辅助设置的，目的是为了校准波特率的。

移植别人写好的printf函数到单片机程序中。