UART原理說明：

通用異步收發(fā)器簡稱UART，即"Universal Asynchronous Receiver Transmitter"，它用來傳輸串行數(shù)據(jù)：發(fā)送數(shù)據(jù)時，CPU將并行數(shù)據(jù)寫入UART，UART按照一定的格式在一根電線上串行發(fā)出；接收數(shù)據(jù)時，UART檢測另一根電線上的信號，將串行收集放在緩沖區(qū)中，CPU即可讀取UART獲得這些數(shù)據(jù)。UART之間以全雙工方式傳輸數(shù)據(jù)，最精簡的連線方法只有三根電線：TxD用于發(fā)送數(shù)據(jù)，RxD用于接收數(shù)據(jù)，Gnd用于給雙方提供參考電平，連線如圖1所示：

圖1. UART連線圖

UART使用標準的TTL/CMOS邏輯電平(0～5V、0～3.3V、0～2.5V或0～1.8V四種)來表示數(shù)據(jù)，高電平表示1，低電平表示0。為了增強數(shù)據(jù)的抗干擾能力、提高傳輸長度，通常將TTL/CMOS邏輯電平轉(zhuǎn)換為RS-232邏輯電平，3～12V表示0，-3～-12V表示1。

TxD、RxD數(shù)據(jù)線以"位"為最小單位傳輸數(shù)據(jù)。幀(frame)由具有完整意義的、不可分割的若干位組成，它包含開始位、數(shù)據(jù)位、較驗位(需要的話)和停止位。發(fā)送數(shù)據(jù)之前，UART之間要約定好數(shù)據(jù)的傳輸速率(即每位所占據(jù)的時間，其倒數(shù)稱為波特率)、數(shù)據(jù)的傳輸格式(即有多少個數(shù)據(jù)位、是否使用較驗位、是奇較驗還是偶較驗、有多少個停止位)。

數(shù)據(jù)傳輸流程如下：

(1)平時數(shù)據(jù)線處于"空閉"狀態(tài)(1狀態(tài))。

(2)當(dāng)要發(fā)送數(shù)據(jù)時，UART改變TxD數(shù)據(jù)線的狀態(tài)(變?yōu)?狀態(tài))并維持1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(shù)據(jù)線的狀態(tài)得到所傳輸?shù)臄?shù)據(jù)。

(3)UART一幀中可以有5、6、7或8位的數(shù)據(jù)，發(fā)送方一位一位地改變數(shù)據(jù)線的狀態(tài)將它們發(fā)送出去，首先發(fā)送最低位(LSB)。

(4)如果使用較驗功能，UART在發(fā)送完數(shù)據(jù)位后，還要發(fā)送1個較驗位。有兩種較驗方法：奇較驗、偶較驗──數(shù)據(jù)位連同較驗位中，"1"的數(shù)目等于奇數(shù)或偶數(shù)。

(5)最后，發(fā)送停止位，數(shù)據(jù)線恢復(fù)到"空閉"狀態(tài)(1狀態(tài))。停止位的長度有3種：1位、1.5位、2位。

圖2演示了UART使用7個數(shù)據(jù)位、偶較驗、2個停止位的格式傳輸字符"A"(二進制值為0b1000001)時，TTL/CMOS邏輯電平對應(yīng)的波形。

圖2. TTL/CMOS邏輯電平下，傳輸"A"時的波形

UART還有其他功能，比如流量控制等，想深入了解的讀者請自行查閱相關(guān)資料。

Exynos4412的UART特性：

Exynos4412中UART，有4個獨立的通道，每個通道都可以工作于中斷模式或DMA模式，即UART可以發(fā)出中斷或DMA請求以便在UART、CPU間傳輸數(shù)據(jù)。UART由波特率發(fā)生器、發(fā)送器、接收器和控制邏輯組成。

使用系統(tǒng)時鐘時，Exynos4412的UART波特率可以達到4Mbps。波特率可以通過編程進行控制。

Exynos4412 UART的通道0有256字節(jié)的發(fā)送FIFO和256字節(jié)的接收FIFO；通道1、4有64字節(jié)的發(fā)送FIFO和64字節(jié)的接收FIFO；通道2、3有16字節(jié)的發(fā)送FIFO和16字節(jié)的接收FIFO。發(fā)送數(shù)據(jù)時，CPU先將數(shù)據(jù)寫入發(fā)送FIFO中，然后UART會自動將FIFO中的數(shù)據(jù)復(fù)制到"發(fā)送移位器"(Transmit Shifter)中，發(fā)送移位器將數(shù)據(jù)一位一位地發(fā)送到TxDn數(shù)據(jù)線上(根據(jù)設(shè)定的格式，插入開始位、較驗位和停止位)。接收數(shù)據(jù)時，"接收移位器"(Receive Shifter)將RxDn數(shù)據(jù)線上的數(shù)據(jù)一位一位接收進來，然后復(fù)制到接收FIFO中，CPU即可從中讀取數(shù)據(jù)。

Exynos4412 UART的每個通道支持的停止位有1位、2位，數(shù)據(jù)位有5、6、7或8位，支持較驗功能，另外還有紅外發(fā)送/接收功能。Exynos4412 UART結(jié)構(gòu)如圖3所示：

圖3. Exynos4412 UART結(jié)構(gòu)圖

Exynos4412 UART的使用：

圖4. 設(shè)置Serial連接圖

如圖4所示，我們在使用UART與PC通信的時候，PC端需要設(shè)置波特率、數(shù)據(jù)位、是否使用校驗位、有多少個停止位、是否使用流控等。UART是工作在異步模式下，接收器自身實現(xiàn)幀的同步，因此要實現(xiàn)通信，Exynos4412的UART也要作相同的設(shè)置，另外還要選擇所涉及管腳為UART功能、選擇UART通道的工作模式為中斷模式或DMA模式。設(shè)置好之后，往某個寄存器寫入數(shù)據(jù)即可發(fā)送，讀取某個寄存器即可得到接收到的數(shù)據(jù)。在中斷模式(查詢模式)下，我們一般通過查詢狀態(tài)寄存器或設(shè)置中斷來獲知數(shù)據(jù)是否已經(jīng)發(fā)送完成、是否已經(jīng)接收到數(shù)據(jù)。下面詳細講解上述設(shè)置過程。

1.將所涉及的UART通道管腳設(shè)為UART功能

比如UART通道0中，GPA0_0、GPA0_1分別用作RXD0、TXD0，要使用UART通道0時，先設(shè)置GPA0CON寄存器將GPA0_0、GPA0_1引腳的功能設(shè)為RXD0、TXD0。

2.選擇UART的時鐘源

圖5. UART時鐘

Exynos4412 UART的時鐘源有八種選擇：XXTI、XusbXTI、SCLK_HDMI24M、SCLK_USBPHY0、SCLK_HDMIPHY、SCLKMPLL_USER_T、SCLKEPLL、SCLKVPLL，由CLK_SRC_PERIL0寄存器控制。

選擇好時鐘源后，還可以通過DIVUART0~4設(shè)置分頻系數(shù)，由CLK_DIV_PERIL0寄存器控制。從分頻器得到的時鐘被稱為SCLK_UART。

SCLK_UART經(jīng)過圖5中的"UCLK Generator"后，得到UCLK，它的頻率就是UART的波特率。"UCLK Generator"通過這2個寄存器來設(shè)置：UBRDEVn、UFRACVALn(在下面描述)。

表1 CLK_SRC_PERIL0的寄存器格式

由于在iROM的代碼中設(shè)置了相關(guān)時鐘的寄存器，我們在試驗的使用選擇XusbXTI作為時鐘源。

表2 CLK_DIV_PERIL0的寄存器格式

3.設(shè)置波特率：UBRDIVn寄存器(UART BAUD RATE DIVISOR)、UFRACVALn寄存器

根據(jù)給定的波特率、所選擇的時鐘源的頻率，可以通過以下公式計算UBRDIVn 寄存器(n為0~4，對應(yīng)5個UART通道)的值：

UBRDIVn = (int)(UART clock/(buad rate x 16)) – 1

上式計算出來的UBRDIVn寄存器值不一定是整數(shù)，UBRDIVn寄存器取其整數(shù)部分，小數(shù)部分由UFRACVALn寄存器設(shè)置，UFRACVALn寄存器的引入，使產(chǎn)生的波特率更加精確。

例如，當(dāng)UART clock為100MHz時，要求波特率為115200bps，則：

100000000/(115200 x 16) – 1 = 54.25 – 1 = 53.25

UBRDIVn = 整數(shù)部分 = 53

UFRACVALn/16 = 小數(shù)部分 = 0.25

UFRACVALn = 4

4.設(shè)置傳輸格式：ULCONn寄存器(UART LINE CONTROL)

ULCONn寄存器(n為0~4)格式如表3所示。

表3 ULCONn寄存器格式

我們這里設(shè)置為，普通模式、無校驗位、一幀中有一個停止位和8位的數(shù)據(jù)位。

UART通道被設(shè)為紅外模式時，其串行數(shù)據(jù)的波形與正常模式稍有不同，有興趣的讀者請自行閱讀數(shù)據(jù)手冊。

5.設(shè)置UART工作模式：UCONn寄存器(UART CONTROL)

Exynos4412的UCONn寄存器格式，如表4所示。

表4 UCONn寄存器格式

我們寫程序時使用中斷或查詢方式。

6.UFCONn寄存器(UART FIFO CONTROL)、UFSTATn寄存器(UART FIFO STATUS)

UFCONn寄存器用于設(shè)置是否使用FIFO，設(shè)置各FIFO的觸發(fā)閥值，即發(fā)送FIFO中有多少個數(shù)據(jù)時產(chǎn)生中斷、接收FIFO中有多少個數(shù)據(jù)時產(chǎn)生中斷。并可以通過設(shè)置UFCONn寄存器來復(fù)位各個FIFO。

讀取UFSTATn寄存器可以知道各個FIFO是否已經(jīng)滿、其中有多少個數(shù)據(jù)。

不使用FIFO時，可以認為FIFO的深度為1，使用FIFO時Exynos4412的FIFO深度最高可達到256。這兩類寄存器各位的含義請讀者查閱數(shù)據(jù)手冊。

7.UMCONn寄存器(UART MODEM CONTROL)、UMSTATn寄存器(UART MODEM STATUS)

這兩類寄存器用于流量控制，這里不介紹。

8.UTRSTATn寄存器(UART TX/RX STATUS)

UTRSTATn寄存器用來表明數(shù)據(jù)是否已經(jīng)發(fā)送完畢、是否已經(jīng)接收到數(shù)據(jù)，格式如下表4所示。下面說的"緩沖區(qū)"，其實就是圖3中的FIFO，不使用FIFO功能時可以認為其深度為1。

表5 UTRSTATn寄存器格式

9.UERSTATn寄存器(UART ERROR STATUS)

用來表示各種錯誤是否發(fā)生，位[0]至位[3]為1時分別表示溢出錯誤、較驗錯誤、幀錯誤、檢測到"break"信號。讀取這個寄存器時，它會自動清0。

需要注意的是，接收數(shù)據(jù)時如果使用FIFO，則UART內(nèi)部會使用一個"錯誤 FIFO"來表明接收FIFO中哪個數(shù)據(jù)在接收過程中發(fā)生了錯誤。CPU只有在讀出這個錯誤的數(shù)據(jù)時，才會覺察到發(fā)生了錯誤。要想清除"錯誤 FIFO"，則必須讀出錯誤的數(shù)據(jù)，并讀出UERSTATn寄存器。

10.UTXHn寄存器(UART TRANSMIT BUFFER REGISTER)

CPU將數(shù)據(jù)寫入這個寄存器，UART即會將它保存到緩沖區(qū)中，并自動發(fā)送出去。

11.URXHn寄存器(UART RECEIVE BUFFER REGISTER)

當(dāng)UART接收到數(shù)據(jù)時，CPU讀取這個寄存器，即可獲得數(shù)據(jù)。

示例程序詳解，主要涉及到三個文件，start.S文件主要設(shè)置棧等基本的功能；uart.c文件主要就是初始化串口和定義操作串口用到的函數(shù)。main.c文件主要做相關(guān)的操作。

start.S文件內(nèi)容如下：

.text

.global _start

_start:

ldr sp, =0x02027400 //調(diào)用C函數(shù)之前必須設(shè)置棧,棧用于保存運行環(huán)境,給局部變量分配空間;

//參考ROM手冊P14,我們把棧指向BL2的最上方;

//即:0x02020000(iROM基地址)+5K(iROM代碼用)+8K(BL1用)+16K(BL2用)

bl main //跳轉(zhuǎn)到C函數(shù)中執(zhí)行

halt: //死循環(huán)

b halt

uart.c文件的內(nèi)容如下，已經(jīng)在里面做了詳細的注釋，這里不再做詳細的介紹。

//串口0使用的引腳

#define GPA0CON (*(volatile unsigned int *)0x11400000)

//選擇時鐘源

#define CLK_SRC_PERIL0 (*(volatile unsigned int *)0x1003C250)

//設(shè)置uart0的分頻系數(shù)

#define CLK_DIV_PERIL0 (*(volatile unsigned int *)0x1003C550)

#define UBRDIV0 (*(volatile unsigned int *)0x13800028)

#define UFRACVAL0 (*(volatile unsigned int *)0x1380002C)

#define UFCON0 (*(volatile unsigned int *)0x13800008)

#define ULCON0 (*(volatile unsigned int *)0x13800000)

#define UCON0 (*(volatile unsigned int *)0x13800004)

#define UTXH0 (*(volatile unsigned int *)0x13800020)

#define URXH0 (*(volatile unsigned int *)0x13800024)

#define UTRSTAT0 (*(volatile unsigned int *)0x13800010)

void uart0_init()

{

//配置GPA0CON的引腳為串口功能；

GPA0CON = 0x22222222;

//設(shè)置串口0使用的時鐘源;使用XusbXTI作為時鐘源

CLK_SRC_PERIL0 &= ~(0xF); //低四位清零

CLK_SRC_PERIL0 |= (0x1); //低四位設(shè)置為0b0001  MOUTUART0 = 24MHz

//uart0的時鐘源為24MHz;設(shè)置分頻系數(shù)

CLK_DIV_PERIL0 &= ~(0xF); //低四位清零

CLK_DIV_PERIL0 |= (0x2); //SCLK_UART0 = MOUTUART0/(UART0_RATIO + 1)

//MOUTUART0=24，UART0_RATIO=2；所以，SCLK_UART0=8MHz

//程序走到這里SCLK_UART0(8MHz)時鐘已經(jīng)獲得了。

/*

* 使能FIFO;Rx FIFO:64 bytes  Tx FIFO:32 bytes

*/

UFCON0 =0x111;

/* 設(shè)置數(shù)據(jù)格式: 8n1, 即8個數(shù)據(jù)位,沒有較驗位,1個停止位 */

ULCON0 = 0x3;

/* 工作于中斷/查詢模式

* 另一種是DMA模式,本章不使用

*/

UCON0 = 0x5;

//SCLK_UART0=8MHz；設(shè)置UBRDIV0和UFRACVAL0寄存器;波特率是115200

UBRDIV0 = 0x3;

UFRACVAL0 = 0x5;

}

//從串口獲得一個字符

char getc(void)

{

char c;

/* 查詢狀態(tài)寄存器，直到有有效數(shù)據(jù) */

while (!(UTRSTAT0 & (1<<0)));

c = URXH0; /* 讀取接收寄存器的值 */

return c;

}

//輸出一個字符

void putc(char c)

{

/* 查詢狀態(tài)寄存器，直到發(fā)送緩存為空 */

while (!(UTRSTAT0 & (1<<2)));

UTXH0 = c; /* 寫入發(fā)送寄存器 */

return;

}

//打印字符串

void puts(char *s)

{

while (*s)

{

putc(*s);

s++;

}

}

//將數(shù)字按照十六進制格式打印

void puthex(unsigned long val)

{

/* val = 0x1234ABCD */

unsigned char c;

int i = 0;

putc('0');

putc('x');

for (i = 0; i < 8; i++)

{

c = (val >> ((7-i)*4)) & 0xf;

if ((c >= 0) && (c <= 9))

{

c = '0' + c;

}

else if ((c >= 0xA) && (c <= 0xF))

{

c = 'A' + (c -  0xA);

}

putc(c);

}

putc('n');

putc('r');

}

main.c文件主要做使用試驗使用，內(nèi)容如下：

int main()

{

char c;

uart0_init();

puts("Test uart by Haitao Cai!nr");

puthex(100); //打印十六進制數(shù)

while(1)

{

c = getc(); //從串口獲得一個字符

if(c == 'r')

{

puts("Test over!");

break;

}

putc(c);

putc(':');

putc(c+1); //將字符加1輸出

putc('n');

putc('r');

}

return 0;

}

將文件上傳，編譯并燒寫SD卡；開機試驗過程如下：

本文完畢！