串口通信4月18号

学习朱友鹏老师嵌入式教程学习笔记之串口通信，部分文档转载之朱老师课堂笔记
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通信的概念；
通信过程有编码，传输，解码
1，同步通信和异步通信；按照发送方和接收方的时钟节拍是否一致
现在一般都采用异步通信。
2，电平信号和差分信号
(1)、电平信号和差分信号是用来描述通信线路传输方式的。也就是说如何在通信线路上表达1和0.
(2)、电平信号的传输线中有一个参考电平线（一般是GND），然后信号线上的信号值是由信号线电平和参考电平线的电压差决定。
(3)、差分信号的传输线中没有参考电平，所有都是信号线。然后1和0的表达靠信号线之间的电压差。
总结：电平信号的2根通信线之间的电平差异容易受到干扰，传输容易失败；差分信号不容易受到干扰因此传输质量比较稳定，现代通信一般都使用差分信号，电平信号几乎没有了。
总结2：看起来似乎相同根数的通信线下，电平信号要比差分信号要快；但是实际还是差分信号快，因为差分信号抗干扰能力强，因此1个发送周期更短。
串口通信的基本概念
特征 异步，串行，电平信号。
因为串口通信出现时间较早，cpu速率较低，传输距离近，所以干扰不明显，所以只规定了使用电平信号。
RS232电平和TTL电平
在RS232中，抗干扰强，传输距离小于15米，在串口使用rs232电平，但是芯片内部使用的是ttl电平，所以需要在开发板上在cpu和uart之间加一个电平转换芯片。
逻辑1(MARK)=-3V～-15V
逻辑0(SPACE)=+3～+15V
TTL电平 适合用在芯片内部。
+5V表示1，0V表示0.
工作模式；
单工通信；只能从A发送到B
全双工通信；能同时从两端发送和接受通信
半双工通信；两端都可以发通信，但是不可以同时发送
波特率
(1)波特率（bandrate），指的是串口通信的速率，也就是串口通信时每秒钟可以传输多少个二进制位。譬如每秒种可以传输9600个二进制位（传输一个二进制位需要的时间是1/9600秒，也就是104us），波特率就是9600.
(2)串口通信的波特率不能随意设定，而应该在一些值中去选择。一般最常见的波特率是9600或者115200（低端单片机如51常用9600，高端单片机和嵌入式SoC一般用115200）.为什么波特率不可以随便指定？主要是因为：第一，通信双方必须事先设定相同的波特率这样才能成功通信，如果发送方和接收方按照不同的波特率通信则根本收不到，因此波特率最好是大家熟知的而不是随意指定的。第二，常用的波特率经过长久发展，就形成了共识，大家常用就是9600或者115200.

数据包的构成 ；起始位、数据位、奇偶校验位、停止位
(1)串口通信时，每个周期传输n个二进制位。这一个周期就叫做一个通信单元，一个通信单元是由：起始位+数据位+奇偶校验位+停止位组成的。
(2)起始位表示发送方要开始发送一个通信单元；数据位是一个通信单元中发送的有效信息位；奇偶校验位是用来校验数据位，以防止数据位出错的；停止位是发送方用来表示本通信单元结束标志的。
(3)起始位的定义是串口通信标准事先指定的，是由通信线上的电平变化来反映的。
(4)数据位是本次通信真正要发送的有效数据，串口通信一次发送多少位有效数据是可以设定的（一般可选的有6、7、8、9，99%情况下我们都是选择8位数据位。因为我们一般通过串口发送的文字信息都是ASCII码编码的，而ASCII码中一个字符刚好编码为8位。）
(5)奇偶校验位是用来给数据位进行奇偶校验（把待校验的有效数据逐个位的加起来，总和为奇数奇偶校验位就为1，总和为偶数奇偶校验位就为0）的，可以在一定程度上防止位反转。
(6)停止位的定义是串口通信标准事先指定的，是由通信线上的电平变化来反映的。常见的有1位停止位，1.5位停止位，2位停止位等。99%情况下都是用1位停止位。

总结：串口通信时因为是异步通信，所以通信双方必须事先约定好通信参数，这些通信参数包括：波特率、数据位、奇偶校验位、停止位（串口通信中起始位定义是唯一的，所以一般不用选择）
串口通信的基本原理；这次我们使用DB9来表示串口通信
三根通信线；Rx,Tx，GND
Rx为接收端，Tx为发送端。
串口控制器原理框图；

1，整个串口控制器由接收端receiver，发送端transmitter构成
2，串口控制器挂在APB总线上，所以它的源时钟就是APB的总线时钟。
3，transmitter由发送缓冲区和发送移位器构成。我们要发送信息时，首先将信息进行编码（一般用ASCII码）成二进制流，然后将一帧数据（一般是8位）写入发送缓冲区（从这里以后程序就不用管了，剩下的发送部分是硬件自动的），发送移位器会自动从发送缓冲区中读取一帧数据，然后自动移位（移位的目的是将一帧数据的各个位分别拿出来）将其发送到Tx通信线上。
4，receiver由接收缓冲区和接收移位器构成。当通过串口线向soc发送信息时，信息通过Rx通信线进入接收移位器shifter，然后接收移位器自动移位将该二进制位保存入接收缓冲区buffer register，接收完一帧数据后receiver会产生一个中断给CPU，CPU收到中断后即可知道receiver接收满了一帧数据，就会来读取这帧数据。
总结：发送缓冲区和接收缓冲区是关键。发送移位器和接收移位器的工作都是自动的，不用编程控制的，所以我们写串口的代码就是：首先初始化（初始化的实质是读写寄存器）串口控制器（包括发送控制器和接收控制器），然后要发送信息时直接写入发送缓冲区，要接收信息时直接去接收缓冲区读取即可。软件工程师对串口操作的接口就是发送/接收缓冲区（实质就是寄存器，操作方式就是读写内存）
(5)串口控制器中有一个波特率发生器Buad-rate Generator，作用是产生串口发送/接收的节拍时钟。波特率发生器其实就是个时钟分频器，它的工作需要源时钟（APB总线来），然后内部将源时钟进行分频（软件设置寄存器来配置）得到目标时钟，然后再用这个目标时钟产生波特率（硬件自动的）。
串口功能的进化；
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。

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。

IrDA模式及其用法
(1)IrDA其实就是红外，红外就是红外线通信（电视机、空调遥控器就是红外通信的）。
(2)210的某个串口支持IrDA模式，开启红外模式后，我们只需要向串口写数据，这些数据就会以红外光的方式向外发射出去（当然是需要一些外部硬件支持的），然后接收方接收这些红外数据即可解码得到我们的发送信息。
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；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。

210串行通信接口的时钟设计
(1)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)时钟信号从源时钟信号是外部APB总线（PCLK_PSYS，66MHz）提供给串口模块的，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。
210开发板的串口初始化步骤；
1，初始化串口Tx和Rx的GPIO引脚功能。
2，关键寄存器的配置 ULCON,UCON,UMCON,UFCON,……

ULCON=0x03 //无校验位，8数据位，1停止位。
UCON=0x5 //收发都采用轮询模式
UMCON=0x0 //用于流控，我们不使用，可以全0
UFCON=0x0 //用于FIFO模式的设置，我们暂时不使用,所以可以全0设置
UBRDIV //波特率设置
UDIVSLOT //波特率辅助设置
波特率的计算和设置
(1)第一步，用PCLK_PSYS和目标波特率去计算DIV_VAL:
DIV_VAL = (PCLK / (bps x 16)) -1
(2)第二步，UBRDIV0寄存器中写入DIV_VAL的整数部分
(3)第三步，用小数部分*16得到1个个数，查表得uBDIVSLOT0寄存器的设置值


串口发送和接收函数的编写
注意；因为c速度比串口高很多，所以要先确定transmitter的缓冲区为空，才能再给数据。
UTXH寄存器保存缓冲区是否为空。
写发送函数，主要发送前要用while循环等待发送缓冲区为空才能发送。
void uart_init(void)
{
//首先先设置tx和rx的gpio
rGPA0CON = 0x00000000;
rGPA0CON = 0x00000022;
rULCON0 = 0x00000003;
rUCON0 = 0x00000005;
rUFCON0 = 0x0;
//设置波特率为115200
//rUBRDIV0 = 35; //DIV_VAL = (PCLK / (bps x 16)) -1
//rUDIVSLOT0 = 0x0888;//波特率是115200
//设置波特率为9600
rUBRDIV0 = 433; //DIV_VAL = (PCLK / (bps x 16)) -1
rUDIVSLOT0 = 0x2222;//波特率是9600
}
以上是uart串口的初始化程序
void main(void)
{
uart_init();
while(1)
{
while(!(rUTRSTAT0 & 0x2));//测试接收端缓冲区是否为空，等待空然后再送数据。
rUTXH0= c;
led_blink();
}
}

以上是对transmitter接收数据的测试，用secureCRT测试，注意波特率和去掉流控