UART:异步收发传输器-中文百科频道

定义

UART是一种通用串行数据总线，用于异步通信。该总线双向通信，可以实现全双工传输和接收。在嵌入式设计中，UART用来主机与辅助设备通信，如汽车音响与外接AP之间的通信，与PC机通信包括与监控调试器和其它器件，如EEPROM通信。

功能

计算机内部采用并行数据，不能直接把数据发到Modem，必须经过UART整理才能进行异步传输，其过程为：CPU先把准备写入串行设备的数据放到UART的寄存器（临时内存块）中，再通过FIFO（FirstInput First Output，先入先出队列）传送到串行设备，若是没有FIFO，信息将变得杂乱无章，不可能传送到Modem。

它是用于控制计算机与串行设备的芯片。有一点要注意的是，它提供了RS-232C数据终端设备接口，这样计算机就可以和调制解调器或其它使用RS-232C接口的串行设备通信了。作为接口的一部分，UART还提供以下功能：将由计算机内部传送过来的并行数据转换为输出的串行数据流。

将计算机外部来的串行数据转换为字节，供计算机内部并行数据的器件使用。在输出的串行数据流中加入奇偶校验位，并对从外部接收的数据流进行奇偶校验。在输出数据流中加入启停标记，并从接收数据流中删除启停标记。处理由键盘或鼠标发出的中断信号（键盘和鼠标也是串行设备）。可以处理计算机与外部串行设备的同步管理问题。有一些比较高档的UART还提供输入输出数据的缓冲区，比较新的UART是16550，它可以在计算机需要处理数据前在其缓冲区内存储16字节数据，而通常的UART是8250。如果您购买一个内置的调制解调器，此调制解调器内部通常就会有16550UART。

通信协议

UART作为异步串口通信协议的一种，工作原理是将传输数据的每个字符一位接一位地传输。

其中各位的意义如下：

起始位：先发出一个逻辑”0”的信号，表示传输字符的开始。

资料位：紧接着起始位之后。资料位的个数可以是4、5、6、7、8等，构成一个字符。通常采用ASCII码。从最低位开始传送，靠时钟定位。

奇偶校验位：资料位加上这一位后，使得“1”的位数应为偶数(偶校验)或奇数(奇校验)，以此来校验资料传送的正确性。

停止位：它是一个字符数据的结束标志。可以是1位、1.5位、2位的高电平。由于数据是在传输线上定时的，并且每一个设备有其自己的时钟，很可能在通信中两台设备间出现了小小的不同步。因此停止位不仅仅是表示传输的结束，并且提供计算机校正时钟同步的机会。适用于停止位的位数越多，不同时钟同步的容忍程度越大，但是数据传输率同时也越慢。

空闲位：处于逻辑“1”状态，表示当前线路上没有资料传送。

波特率：是衡量资料传送速率的指标。表示每秒钟传送的符号数（symbol）。一个符号代表的信息量（比特数）与符号的阶数有关。例如资料传送速率为120字符/秒，传输使用256阶符号，每个符号代表8bit，则波特率就是120baud，比特率是120*8=960bit/s。这两者的概念很容易搞错。

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。

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效验位，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。

工作原理

发送接收

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。

波特率

波特率除数（baud-ratedivisor）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。

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。BUSY位的相关库函数是UARTBusy()

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。

中断控制

出现以下情况时，可使UART产生中断：

FIFO溢出错误

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）

奇偶校验错误

帧错误（停止位不为1）

接收超时（接收FIFO已有数据但未满，而后续数据长时间不来）

发送

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UARTIntStatus()，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）。

FIFO操作

FIFO是“First-InFirst-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。

回环操作

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。

串行协议

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。IrDASIR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IrDASIR物理层连接。