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2021年10月15日 | S3C2440 UART串口驱动（裸机）
2021-10-15 来源：eefocus
1.1 UART串口
通用异步接收器和发送器(Universal Asynchronous Receiver and Transmitter) 简称UART。通常是嵌入式设备中默认都会配置的通信接口。这是因为，很多嵌入式设备没有显示屏，无法获得嵌入式设备实时数据信息，通过UART串口和超级终端相连，打印嵌入式设备输出信息。并且在对嵌入式系统进行跟踪和调试时，UART串口了是必要的通信手段。比如：网络路由器，交换机等都要通过串口来进行配置。UART串口还是许多硬件数据输出的主要接口，如GPS接收器就是通过UART串口输出GPS接收数据的。
1.1.1 异步通信和同步通信
图2-56同步信号与异步信号
同步通信技术
在发送数据信号的时候，会同时送出一根同步时钟信号， 用来同步发送方和接收方的数据采样频率。如图2-56所示，同步通信时，信号线1是一根同步时钟信号线，以固定的频率进行电平的切换，其频率周期为t，在每个电平的上升沿之后进行对同步送出的数据信号线2进行采样（高电平代表1，低电平代表0），根据采样数据电平高低取得输出数据信息。如果双方没有同步时钟的话，那么接收方就不知道采样周期，也就不能正常的取得数据信息。
异步通信技术
在异步通信技术中，数据发送方和数据接收方没有同步时钟，只有数据信号线，只不过发送端和接收端会按照协商好的协议（固定频率）来进行数据采样。数据发送方以每秒钟57600bits的速度发送数据，接收方也以57600bits的速度去接收数据，这样就可以保证数据的有效和正确。通常异步通信中使用波特率（Baud-Rate）来规定双方传输速度，其单位为bps（bits per second每秒传输位数）。
1.1.2 数据的串行和并行通信方式
串行通信好比是一列纵队，每个数据元素依次纵向排列。如图2-57所示，传输时一个比特一个比特的串行传输，每个时钟周期传输一个比特，这种传输方式相对比较简单，速度较慢，但是使用总线数较少，通常一根接收线，一根发送线即可实现串行通信。它的缺点是要增加额外的数据来控制一个数据帧的开始和结束。
并行通信好比一排横队，齐头并进同时传输。这种通信方式每个时钟周期传输的数据量和其总线宽度成正比，但是实现较为复杂。UART通信采用的是串行方式进行通信的。
图2-57串行数据通信与并行数据通信
1.1.3 数据通信传输模式
在数据通信过程中，发送方和接收方为了实现数据的正确发送和接收，通常会有一个状态寄存器来描述当前数据接收和发送状态，当发送方有数据发送时，会查看发送状态寄存器，看是否允许发送数据（如果上一次数据还没有发送完毕，不允许继续数据发送），在发送允许情况下再送出新数据。同样，接收端通过查看接收状态寄存器，确定是否有新数据到达，如果有数据到达，将去接收数据缓冲区读取数据。
（1）轮询模式
通过程序执行流，不停的检测状态寄存器的结果，如果当前可发送或接收，则发送或接收数据。其过程可以用下面伪代码来表示。
; 轮询方式实现数据发送伪代码
Send(){
While(1){
if(发送状态 == 可发送)
执行数据发送操作;
}
}
; 轮询方式实现数据接收伪代码
Receive(){
While(1){
if(接收状态 == 有数据到达)
执行数据接收操作;
}
}
由程序可知，这种方式实现简单，但在进行数据接收和发送时都要进入循环检查状态寄存器的值，当没有数据到达或数据不可发送时，CPU会一直空转，其它程序又得不到CPU的执行权，很影响系统的效率。
（2）中断模式
中断方式是指，当数据到达或数据可发送时，产生中断，通知CPU去发送或接收数据，这种方式将通信硬件和CPU独立出来，通信硬件只有在发送或接收条件准备好之后中，才通知CPU去处理数据，在通信条件没有准备好的时候，CPU去处理其它程序，显然这种方式更合理，这种方式要求通信硬件要求比较高，需要支持产生中断信号。
（3）DMA模式
通常实现数据的转移或拷贝时，CPU将从源地址处复制数据到寄存器，然后将寄存器数据再写入目的地址处，该复制过程需要CPU来执行。S3C2440支持DMA传输模式，DMA传输是指在CPU不干涉的情况下，DMA硬件自动实现数据的转移和复制，在DMA传输过程中，CPU几乎不用干涉，这样可以让CPU安心的去做自己的事情。虽然如此，但是DMA在传输数据过程中要占用总线，在大批数据传输时，系统总线会被DMA通道占用，也会影响系统的效率。S3C2440 UART控制器支持DMA方式传输串口通信数据。
1.1.4 S3C2440 UART控制器
S3C2440 UART控制器，提供了三个独立的异步串行I/O端口，每个端口都可以在中断模式或DMA模式下工作，换而言之，UART可以生成中断或DMA请求用于CPU和UART之间的数据传输。UART串口挂接在APB总线上，APB总线最高可以达到50MHz工作频率，在使用APB时钟频率时可以达到最高115.2Kbps波特率的通信速度。如果UART串口接收外部设备提供UEXTCLK（外部时钟），UART可以在更高的速度下工作。每个UART串口在接收装置和发送装置里分别包含一个64Byte的FIFO缓冲区，用于缓存发送数据和接收数据。
由于UART是串行异步通信方式，因此在UART通信过程中每次只能传输1位（bit）,若干位组成一个数据帧（frame），帧是UART通信中最基本单元，它主要包含：开始位，数据位，校验位（如果开启了数据校验，要包含校验位），和停止位，帧结构如图2-58所示。
图2-58 UART数据帧结构
UART在通信之前要在发送端和接收端约定好帧结构，也就是约定好传输数据帧格式。
l 开始位：必须包含在数据帧中，表示一个帧的开始。
l 数据位：可选5，6，7，8位，该位长度可由编程人员指定。
l 校验位：如果在开启了数据校验时，该位必须指定。
l 停止位：可选1，2位，该位长度可由编程人员指定。
通信双方约定好帧格式后，指定同一波特率，以保证双方数据传输的同步。
1.1.5 S3C2440 UART串口工作原理
每个UART包含一个波特率产生器，发送器，接收器和一个控制单元，如下图所示：
图2-59 UART硬件结构
UART是以异步方式实现通信的，其采样速度由波特率决定，波特率产生器的工作频率可以由PCLK（外围设备频率），FCLK/n（CPU工作频率的分频），UEXTCLK（外部输入时钟）三个时钟作为输入频率，波特率设置寄存器是可编程的，用户可以设置其波特率决定发送和接收的频率。发送器和接收器包含了64Byte的FIFO和数据移位器。UART通信是面向字节流的，待发送数据写到FIFO之后，被拷贝到数据移位器（1字节大小）里，数据通过发送数据管脚TXDn发出。同样道理，接收数据通过RXDn管脚来接收数据（1字节大小）到接收移位器，然后将其拷贝到FIFO接收缓冲区里。
（1）数据发送
发送的数据帧可编程的，它的一个帧长度是用户指定的，它包括一个开始位，5~8个数据位，一个可选的奇偶校验位和1~2个停止位，数据帧格式可以通过设置ULCONn寄存器来设置。发送器也可以产生一个终止信号，它是由一个全部为0的数据帧组成。在当前发送数据被完全传输完以后，该模块发送一个终止信号。在终止信号发送后，它可以继续通过FIFO（FIFO）或发送保持寄存器（NON-FIFO）发送数据。
（2）数据接收
同样接收端的数据也是可编程的，接收器可以侦测到溢出错误奇偶校验错误，帧错误和终止条件，每个错误都可以设置一个错误标志。
l 溢出错误是指在旧数据被读取到之前，新数据覆盖了旧数据
l 奇偶校验错误是指接收器侦测到了接收数据校验结果失败，接收数据无效
l 帧错误是指接收到的数据没有一个有效的停止位，无法判定数据帧结束
l 终止条件是指RxDn接收到保持逻辑0状态持续长于一个数据帧的传输时间
（3）自动流控AFC（Auto Float Control）
UART0和UART1支持有nRTS和nCTS的自动流控，UART2不支持流控。在AFC情况下，通信双方nRTS和nCTS管脚分别连接对方的nCTS和nRTS管脚。通过软件控制数据帧的发送和接收。
在开启AFC时，发送端接收发送前要判断nCTS信号状态，当接收到nCTS激活信号时，发送数据帧。该nCTS管脚连接对方nRTS管脚。接收端在准备接收数据帧前，其接收器FIFO有大于32个字节的空闲空间，nRTS管脚会发送激活信号，当其接收FIFO小于32个字节的空闲空间，nRTS必须置非激活状态。如图2-60所示。
图2-60自动流控数据传输
（4）波特率
在UART中波特率发生器为发送器和接收器提供工作时钟。波特率发生器的时钟源可以选择S3C2440A的内部系统时钟(PCLK，FCLK/n)或UEXTCLK（外部时钟源），可以通过设置UCONn寄存器来设置波特率发生器的输入时钟源。通常我们选择使用PCLK作为UART工作时钟。
UART控制器中没有对波特率进行设置的寄存器，而是通过设置一个除数因子，来决定其波特率。其计算公式如下：
UART除数（UBRDIVn） = (int)(CLK/(buad rate * 16 )) - 1
其中：UBRDIVn的取值范围应该为1~2^16-1。例如：波特率为115200bps，PCLK时钟为其工作频率，采用50MHz，UBRDIVn为：
UBRDIVn = (int)(50M / (115200 x 16)) - 1 = 26
在系统时钟未初始化时，PCLK = 12MHz，如果波特率采用57600bps，那么UBRDIVn为：
UBRDIVn = (int)(12M / (57600 x 16)) - 1 = 12
当使用外部时钟源时，如果外部时钟小于PCLK时钟，则UEXTCLK应该设置为0。
（5）波特率的错误容忍率（Baud-Rate Error Torlerance）
数据信号在传输过程中由于外界电磁干扰，信号减弱等原因，当时钟频率较低，传输速率较高时会产生误差，当误差达到一定值时，会出现数据信号不能正常识别，造成通信异常。好比如，在普通列车轨道上试图行驶高速列车一样，由于高速列车对轨道要求很高，当速度达到一定程度，很可能造成事故。业界的波特率的错误容忍率为1.86%(3 / 160)，如果大于该值则应该选择较低的波特率或提高输入时钟频率。
错误容忍率计算公式为：
UART Error = (tUPCLK - tUEXACT)/ tUEXACT * 100%
注： tUPCLK为UART的真实工作时钟频率：tUPCLK = (UBRDIVn + 1) * 16 * 1Frame / PCLK
tUEXACT为UART理想工作时钟频率：tUEXACT = 1Frame / baud-rate
其中：1Frame 为数据帧的长度 = 开始位 + 数据位 + 可选校验位 + 停止位
假如，波特率采用115200bps，PCLK时钟为50MHz，波特率除数因子UBRDIVn为26（通过前面UBRDIVn计算公式算出），采用1个停止位，8个数据位，无校验的8N1方式通信时，其错误容忍率为：
tUPCLK = 27 * 16 * 10 / 50M = 0.0000864
tUEXACT = 10 / 115200 = 0.0000868
UART Error = | 0.0000864 - 0.0000868 | / 0.0000868 = 0.46%
在开发板没有初始化系统时钟前，开发板工作在12MHz下，假如我们将波特率设置为115200bps，采用PCLK为系统默认时钟12MHz，8N1数据帧格式通信，那么：
UBRDIVn = (int)(12M / (115200 * 16)) - 1 = 6
其错误容忍率：
tUPCLK = 7 * 16 * 10 / 12M = 0.0000933
tUEXACT = 10 / 115200 = 0.0000868
UART Error = | 0.0000933 - 0.0000868 | / 0.0000868 = 7.5%
其错误容忍率大于1.86%，因此在12MHz频率下，波特率不能设置为115200，现在将波特率设置为56700bps，采用8N1数据帧格式通信，那么：
UBRDIVn = (int)(12M / (57600 * 16)) - 1 = 12
tUPCLK = 13 * 16 * 10 / 12M = 0.000173
tUEXACT = 10 / 57600 = 0.0001736
UART Error = | 0. 000173 - 0. 0001736 | / 0. 0001736 = 0.345%
采用波特率为56700bps，8N1数据帧格式通信时，其错误容忍率小于标准的1.86%，因此可以正常工作。
图2-61 MINI2440开发板串口硬件图
UART的接口
图2-61为MINI2440开发板引出UART串口接线图，它采用DB9接口公头（有接线柱的端口，只有接线孔的为母头），其有9根信号线，UART通信过程中用到了信号线2 RSTXD0（数据发送管脚）它和串口线母头TXDx信号线相接（x代表0号，1号，2号串口），信号3 RSRXD0（数据接收管脚）和串口线母头RXDx相接（x代表0号，1号，2号串口），信号线5（接地管脚），信号线7 RSCTS0（数据发送流控制管脚）和串口线母头nCTSx相接，信号线8 RSRTS0（数据接收流控制管脚）和串口线母头nRTSx相接。如果UART中没有开启AFC流控的话，只要用到信号线2，信号线3和信号线5。
图2-62 MINI2440串口管脚接线
通过MINI2440硬件CPU管脚图可以看出，RSTXD0和RSRXD0连接到CPU的GPH2和GPH3管脚上的，而GPH2和GPH3是CPU复用管脚，因此我们要对GPH2和 GPH3对应寄存器进行设置，其对应寄存器为GPHCON。
表2-23 GPIO端口H设置寄存器（GPHCON）
寄存器名 | 地址 | 是否读写 | 描述 | 复位默认值 |
GPHCON | 0x56000070 | R/W | GPIO端口H配置寄存器 | 0x0 |
GPHDAT | 0x56000074 | R/W | GPIO端口H数据寄存器 | 未定义 |
GPHUP | 0x56000078 | R/W | GPIO端口H上拉无效寄存器 | 0x000 |
GPHCON | 位 | 描述 | 初始值 |
… | … | … | … |
GPH3 | [7:6] | 设置当前管脚功能： 00 = 输入端口 01 = 输出端口 10 = RXD[0]配置为串口0的接收数据管脚 11 = 保留 | 0 |
GPH2 | [5:4] | 设置当前管脚功能： 00 = 输入端口 01 = 输出端口 10 = RXD[0]配置为串口0的接收数据管脚 11 = 保留 | 0 |
… | … | … | … |
GPHCON[7:6]和GPHCON[5:4]为RSTXD0和RSRXD0管脚设置位，将其功能设置为了UART专用通信管脚，因此应该设置其为0b10，分别用于UART数据的接收和发送。
GPHCON | = 0xa0;
表2-24 GPIO端口H上拉电阻设置寄存器（GPHUP）
GPHUP | 位 | 描述 | 初始值 |
GPH[10:0] | [10:0] | 设置对应管脚GPHn的是否启用上拉功能 0 = 启用上拉功能 1 = 禁用上拉功能 | 0 |
GPHUP上拉电阻设置寄存器：上拉电阻用来稳定电平信号，保障传输数据的正确，GPHUP里设置其内部上拉。
GPHUP = 0x0;
表2-25 UART0串行控制寄存器（ULCON0）
寄存器名 | 地址 | 是否读写 | 描述 | 复位默认值 |
ULCON0 | 0x50000000 | R/W | 串口0串行控制寄存器 | 0x00 |
ULCON0 | 位 | 描述 | 初始值 |
保留 | [7] | 0 | |
红外模式 | [6] | 选择串口0是否使用红外模式： 0 = 正常通信模式 1 = 红外通信模式 | 0 |
校验模式 | [5:3] | 设置串口0在数据接收和发送时采用的校验方式： 0xx = 无校验 100 = 奇校验 101 = 偶校验 110 = 强制校验/检测是否为1 111 = 强制校验/检测是否为0 | 000 |
停止位 | [2] | 设置串口0停止位数： 0 = 每个数据帧一个停止位 1 = 每个数据帧二个停止位 | 0 |
数据位 | [1:0] | 设置串口0数据位数： 00 = 5个数据位 01 = 6个数据位 10 = 7个数据位 11 = 8个数据位 | 00 |
通过设置ULCON0来设置UART0通信方式，ULCON0[6]选择通信方式为一般通信模式或红外通信模式，ULCON0[5:3]设置串口0校验方式，ULCON0[2]设置串口0停止位数，ULCON0[1：0] 设置串口0的数据位数。
我们选择一般通信模式，无校验位，1个停止位，8个数据位的数据通信方式。因此：
ULCON0 = 0x03;
表2-26 UART0串口控制寄存器（UCON0）
寄存器名 | 地址 | 是否读写 | 描述 | 复位默认值 |
UCON0 | 0x50000004 | R/W | 串口0控制寄存器 | 0x00 |
UCON0 | 位 | 描述 | 初始值 |
FCLK分频因子 | [15:12] | 当UART0选择FCLK作为时钟源时，设置其FCLK的分频因子 UART0 工作时钟频率 = FCLK/ FCLK分频因子 + 6 | 0000 |
UART时钟源选择 | [11:10] | 选择UART0的工作时钟PCLK，UEXTCLK，FCLK/n： 00,10 = PCLK 01 = UEXTCLK 11 = FCLK/n 当选择FCLK/n作为UART0工作时钟时还要做其它设置，具体请读者自行查看硬件手册 | 00 |
发送数据中断 产生类型 | [9] | 设置UART0中断请求类型，在非FIFO传输模式下，一旦发送数据缓冲区为空，立即产生中断信号，在FIFO传输模式下达到发送数据触发条件时立即产生中断信号： 0 = 脉冲触发 1 = 电平触发 | 0 |
接收数据中断 产生类型 | [8] | 设置UART0中断请求类型，在非FIFO传输模式下，一旦接收到数据，立即产生中断信号，在FIFO传输模式下达到接收数据触发条件时立即产生中断信号： 0 = 脉冲触发 1 = 电平触发 | 0 |
接收数据超时 | [7] | 设置当接收数据时，如果数据超时，是否产生接收中断： 0 = 不开启超时中断 1 = 开启超时中断 10 = 7个数据位 11 = 8个数据位 | 0 |
接收数据错误中断 | [6] | 设置当接收数据时，如果产生异常，如传输中止，帧错误，校验错误时，是否产生接收状态中断信号： 0 = 不产生错误状态中断 1 = 产生错误状态中断 | 0 |
回送模式 | [5] | 设置该位时UART会进入回送模式，该模式仅用于测试 0 = 正常模式 1 = 回送模式 | 0 |
发送终止信号 | [4] | 设置该位时，UART会发送一个帧长度的终止信号，发送完毕后，该位自动恢复为0 0 = 正常传输 1 = 发送终止信号 | 0 |
发送模式 | [3:2] | 设置采用哪个方式执行数据写入发送缓冲区 00 = 无效 01 = 中断请求或查询模式 10 = DMA0请求 | 00 |
接收模式 | [1:0] | 设置采用哪个方式执行数据写入接收缓冲区 00 = 无效 01 = 中断请求或查询模式 10 = DMA0请求 | 00 |
通常UART串口采用PCLK作为输入工作时钟，采用简单的轮询方式进行数据接收和发送，不开启数据接收超时，数据产生错误时不产生错误状态中断，因此：
UCON0 = 0x05;
表2-27 UART FIFO控制寄存器（UFCON0）
寄存器名 | 地址 | 是否读写 | 描述 | 复位默认值 |
UFCON0 | 0x50000008 | R/W | 串口0 FIFO控制寄存器 | 0x00 |
UFCON0 | 位 | 描述 | 初始值 | |||||||||
发送数据 触发级别 | [7:6] | 设置FIFO发送模式的触发级别： 00 = FIFO为空触发 01 = 16字节触发 10 = 32字节触发 11 = 48字节触发 推荐阅读
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