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2017-11-12 22:52:38一.串口通信的基本概念及原理理解 2017/11/12 22:521.同步通信和异步通信:异步通信 :指通信的发送与接收设备使用各自的时钟控制数据的发送和接收过程。为使双方的收发协调,要求发送和接收设备的时钟尽可能一致, 即发送方和接收方没有统一的时钟节拍、而各自按照自己的节拍工作。异步通信是以字符(构成的帧)为单位进行传输,字符与字符之间的时间间隔是任意的,但每个字符中的各位是以固定的时间传送的,即字符之间不一定有“位间隔”的整数倍的关系,但同一字符内的各位之间的距离均为“位间隔”的整数倍。如下图所示。
同步通信时要建立发送方时钟对接收方时钟的直接控制,使双方达到完全同步。此时,传输数据的位之间的距离均为“位间隔”的整数倍,同时传送的字符间不留间隙,即 保持位同步关系,也保持字符同步关系 。以上图异步通信传输示意图做参考。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。3.并行 、 串行通讯概念及特点(1) 并行通信 是指数据的各位同时在多根数据线上发送或接收.串行通信 是指使用一条数据线,将数据一位一位地依次传输,每一位数据占据一个固定的时间长度。其只需要少数几条线就可以。(2)并行特点:控制简单、传输速度快;由于传输线较多,长距离传送时成本高且接收方的各位同时接收存在困难.信号线占用多。(3)在系统间交换信息,特别适用于计算机与计算机、计算机与外设之间的远距离通信.串行特点:传输线少,长距离传送时成本低,但数据的传送控制比并行通信复杂.总结:其实这么多年发展,最终胜出的是:异步、串行、差分,譬如USB和网络通信。4.串口通信的基本概念4.1 串口通信的特点:异步、电平信号、串行(1)、异步:串口通信的发送方和接收方之间是没有统一的时钟信号的。(2)、电平信号:串口通信出现的时间较早,速率较低,传输的距离较近,所以干扰还不太明显,因此当时使用了电平信号传输。后期出现的传输协议都改成差分信号传输了。(3)、串行通信:串口通信每次同时只能传输1个二进制位。4.2 RS232电平和TTL电平(1)电平信号是用信号线电平减去参考线电平得到电压差,这个电压差决定传输值是1或0.(2)在电平信号时多少V代表1,多少V代表0不是固定的,取决于电平标准。譬如RS232电平中-3V~-15V表示1;+3~+15V表示0;TTL电平则是+5V表示1,0V表示0.(3)不管哪种电平都是为了在传输线上表示1和0.区别在于适用的环境和条件不同。RS232的电平定义比较大,适合干扰大、距离远的情况;TTL电平电压范围小,适合距离近且干扰小的情况。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)4.3 串行通信的制式单工:单向的(或者是收或者是发)半双工:(串行通信)收/发不可同时进行全双工:(串行通信)收/发可同时进行如图所示:
串口通信线最少需要2根(GND和信号线),可以实现单工通信,也可以使用3根通信线(Tx、Rx、GND)来实现全双工。5.S5PV210串行通信接口详解5.1 S5PV210的串口控制器工作原理框图
(1) 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。(2) receiver由接收缓冲区和接收移位器构成 。当有人通过串口线向我发送信息时,信息通过Rx通信线进入我的接收移位器,然后接收移位器自动移位将该二进制位保存入我的接收缓冲区,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。(3) 串口控制器中有一个波特率发生器 , 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)。5.2 S5PV210串行通信接口扩展功能详解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。FIFO ( 数据结构 中的 先入先出 队列,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。,例如OV7670等摄像头的FIFO芯片,原理也一样。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。 例如STM32的内部DMA寄存器 。(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其实就是红外线通信(2)红外通信的原理是发送方固定间隔时间向接收方发送红外信号(表示1或0)或者不发送红外信号(表示0或者1),接收方每隔固定时间去判断有无红外线信号来接收1和0.(3)分析可知,红外通信和串口通信非常像,都是每隔固定时间发送1或者0(判断1或0的物理方式不同)给接收方来通信。因此210就利用串口通信来实现了红外发送和接收。(4)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。5.3 S5PV210串行通信与中断与时钟设计5.3.1、串行通信与中断的关系(1) 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: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: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?有一个状态寄存器,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。
(2) 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5.3.2、210串行通信接口的时钟设计(1) 在S5PV210的串口控制器工作原理框图中,串口控制器中有一个波特率发生器 ,所以,发送transmitter和接收receiver都需要一个时钟信号,那么这个时钟从哪里来?- 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),在上一节总结的时钟框架图中,可以查阅到。
- 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。
(2) 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。
(3) 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。
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26-串口功能框图
2022-04-23 15:54:33串口引脚:TX;RX; SW_RX(智能卡模式); nRTS;nCTS;(硬件流) SCLK(时钟) 7:串口发送,把数据打包成帧; 二:数据寄存器 8:TDR发送数据寄存器---发送移位寄存器---TX 标志位1:Transmit data register...5:包含以下部分
一:引脚
6:引脚
串口引脚:TX;RX;
SW_RX(智能卡模式);
nRTS;nCTS;(硬件流)
SCLK(时钟)
7:串口发送,把数据打包成帧;
二:数据寄存器
8:TDR发送数据寄存器---发送移位寄存器---TX
- 标志位1:Transmit data register empty(发送数据寄存器为空)---把这个中断打开了(这个时候会产生中断 )
- 标志位2:发送完成---相应的中断
9:读数据只有一个标志位会发生变化:
- 数据全部接收完:非空
- 非空中断使能
三:控制器
10:异步通信过程中为了提高数据的抗干扰性,,把数据打包成桢
四:波特率
11:波特率
总结:1:如果更改TXRX引脚,需要修改波特率;TXRX使用较多;波特率的设置理解就可;发送寄存器有了两个发送标志位;接收寄存器有1个接收非空标志位。
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STM32-UART-串口通信框图-波特率计算
2021-09-16 11:58:00串行通信 传输原理:数据按位顺序传输。 优点:占用引脚资源少 缺点:速度相对较慢 2.串行通信: 2.1按照数据传送方向,分为: 单工:数据传输只支持数据在一个方向上传输 半双工:允许数据在两个方向上传输,...1.处理器与外部设备通信的两种方式:
并行通信
- 传输原理:数据各个位同时传输。
- 优点:速度快
- 缺点:占用引脚资源多
串行通信
- 传输原理:数据按位顺序传输。
- 优点:占用引脚资源少
- 缺点:速度相对较慢
2.串行通信:
2.1按照数据传送方向,分为:
- 单工:数据传输只支持数据在一个方向上传输
- 半双工:允许数据在两个方向上传输,但是,在某一时刻,只允许数据在一个方向上传输,它实际上是一种切换方向的单工通信;
- 全双工:允许数据同时在两个方向上传输,因此,全双工通信是两个单工通信方式的结合,它要求发送设备和接收设备都有独立的接收和发送能力。
2.2串行通信的通信方式:
- 同步通信:带时钟同步信号传输。SPI,IIC通信接口
有时钟同步信号,A传到B的过程中,每一个位都是根据时钟来传的,比如时钟到达上升沿,传1bit。
- 异步通信:不带时钟同步信号。UART(通用异步收发器),单总线
A和B之间没有时钟同步信号,双方先约定一些波特率、起始位等,计算出发送每一bit占用的时间。
常见的串行通信接口:
如果是全双工,那么发送和接收都要有独立的引脚。半双工一般只占用一个独立的发送\接收引脚。
如果是同步通信,那么一定有同步时钟。
通信标准 引脚说明 通信方式 通信方向 UART (通用异步收发器) TXD:发送端 RXD:接受端 GND:公共地 异步通信 全双工 单总线 (1-wire) DQ:发送/接受端 异步通信 半双工 SPI SCK:同步时钟 MISO:主机输入,从机输出 MOSI:主机输出,从机输入 同步通信 全双工 I2C SCL:同步时钟 SDA:数据输入/输出端 同步通信 半双工 3.异步串口通信UART
包含:
物理层(电气层:接口决定):通信接口(RS232,RS485,RS422,TTL)
数据格式(数据层:芯片决定)起始位校验位等约定好
通信协议(协议层:程序决定)数据出错能检测出来等UART异步通信方式引脚连接方法:
RXD:数据输入引脚。数据接收。TXD:数据发送引脚。数据发送。
TTL串口 & RS232 & RS485 & RS422
两个电路板相连,往往用到一些接口,而不是直接相连TXRX。
接口类型 逻辑1 典型值 逻辑0 典型值 说明 优缺点 TTL +5/3.3 0 一般MCU串口引脚都支持TTL RS232 -15V~-3V 3V~15V 3线全双工,点对点 接口电平高,传输速度相对较低,传输距离近 RS485 两根线的压差+(2~6)V 压差-(2~6)V 2线半双工,点对多,主从通信。使用压差传递信号。 传输速度高可达10M,抗干扰能力强,距离远。 RS422 相对比较少用。 USB串口
MCU发送串口信号,经电平转换芯片变为USB信号,通过USB连到电脑,电脑可以直接识别USB信号。
STM32 UART异步通信方式引脚:
串口号 RXD TXD 1 PA10(PB7) PA9(PB6) 2 PA3(PD6) PA2(PD5) 3 PB11(PC11/PD9) PB10(PC10/PD8) 4 PC11(PA1) PC10(PA0) 5 PD2 PC12 6 PC7(PG9) PC6(PG14) 4.STM32串口数据格式和通信过程
STM32串口通信过程:信号一位一位传过来,速度根据波特率来传。串行移位寄存器一个一个读过来,然后一次性写入到输入数据缓冲器里,MCU从中读取数据。
MCU写输出数据缓冲器,然后一次性给串行移位寄存器,然后在波特率控制下,把数据一位位送到外部设备。
STM32串口异步通信需要定义的参数:
起始位:1个逻辑0数据位开始
数据位(8位或者9位)
奇偶校验位(第9位)
停止位(1,1.5,2位)
波特率设置5.STM32F4xx串口框图
TX:芯片数据发送出去,RX:数据接收。接收后放到接收移位寄存器,然后全部给接收数据寄存器,然后CPU可以通过总线读取数据。发送的话,CPU把数据写到发送数据寄存器,之后数据送到发送移位寄存器,数据一位一位的从IO口出去。
对于这个发送和接收移位寄存器,必须提前设定好波特率,这两个寄存器受发送控制和接收器控制。可以由下图看到:发送和接收端共用一个波特率,用于确定串行通信的速度。最下面有一个BRR寄存器,首先时钟来自于pCLKx ,pclk经过/usartdiv和/(8*(2-OVER8)),OVER8由控制寄存器的一个位决定可能为0或1,把这个时钟作为发送器和接收器的时钟,控制发送和接收移位寄存器,实现控制传输数据的速度。
对于接收器控制和发送控制,图中还有几个寄存器,右边SR寄存器,记录一些状态标志位,左边CR1,有一些使能位,高位连接中断控制,可以触发一些中断。
6.波特率计算方法
波特率决定了串口的通信速度,如何计算。
上图OVER8:在控制寄存器 1 (USART_CR1)中可找到,其中采样频率越高,容错性越好,但是限制了速度。如果8倍过采样可以提高速度。
小数波特率生成:
对 USARTDIV 的尾数值和小数值进行编程时,接收器和发送器(Rx 和 Tx)的波特率均设置为相同值。
当fck确定,又要达到某一种波特率,此时可以计算出USARTDIV的值是多少。它的值是由USART_BRR 寄存器决定的。
USARTDIV 是一个存放在 USART_BRR 寄存器中的无符号定点数。
当 OVER8=0 时,小数部分编码为 4 位并通过 USART_BRR 寄存器中的 DIV_fraction[3:0] 位编程。
当 OVER8=1 时,小数部分编码为 3 位并通过 USART_BRR 寄存器中的 DIV_fraction[2:0] 位编程,此时 DIV_fraction[3] 位必须保持清零状态。
注意: 对 USART_BRR 执行写操作后,波特率计数器更新为波特率寄存器中的新值。因此,波特率 寄存器的值不应在通信时发生更改。如图所示,USART中DIV_Mantissa是设置USARTDIV 的整数部分,DIV_Fraction是设置USARTDIV的小数部分。如果经过公式算出USARTDIV=37.5该如何设置 USART_BRR寄存器?
可以看到波特率寄存器 (USART_BRR):位15:4一共12位,如果设置USARTDIV=37.5,只需要把高十二位设置成37 。小数则是由低4位决定的,由于低四位一共有2^4=16个数,占满了0-1,所以可以0.5*16=8,赋给低四位即可。
可以总结出:OVER8=0时波特率计算公式:
①根据波特率和串口时钟频率,计算出USARTDIV的值。
②DIV_Fraction=USART的小数部分 X16所得的整数
DIV_Mantissa=USART的整数部分
假如OVER8=0,串口时钟为90M,需要得到115200的波特率,根据公式计算得到USARTDIV=90000000/(115200*16)=48.828
DIV_Fraction=16*0.828的整数部分=13=0X0D;
DIV_Mantissa=48=0x30;
得到USART1->BRR值为0x30d,只要设置串口1的BRR寄存器值位0x30d就可得到115200的波特率。
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一、串行通信接口背景知识
处理器与外部设备通信的两种方式:并行通信和串行通信
并行通信
传输原理:数据各个位同时传输。
优点:速度快
缺点:占用引脚资源多
串行通信
传输原理:数据按位顺序传输。
优点:占用引脚资源少
缺点:速度相对较慢
串行通信按照数据传送方向分为:
(a)单工:数据传输只支持数据在一个方向上传输
(b)半双工:允许数据在两个方向上传输,但是,在某一时刻,只允许数据在一个方向上传输,它实际上是一种切换方向的单工通信
(c)全双工:允许数据同时在两个方向上传输,因此,全双工通信是两个单工通信方式的结合,它要求发送设备和接收设备都有独立的接收和发送能力。
串行通信的通信方式
(1)同步通信:带时钟同步信号传输。比如,SPI、IIC通信接口。
(2)异步通信:不带时钟同步信号。比如,UART(通用异步收发器)、单总线。
异步通信UART包含三点知识:
(1) 物理层(电气层:接口决定):
通信接口(RS232,RS485,RS422,TTL)
(2) 数据格式(数据层:芯片决定)
包括起始位,停止位,校验位,数据位等
(3) 通信协议(协议层:程序决定)
二、STM32串口通信过程和数据格式
三、串口通信框图和波特率计算方法
RX接收串口输入的数据,并把它传到接收移位寄存器,再把它传到接收数据寄存器,之后CPU通过总线去读取它。CPU通过总线写入发送数据寄存器,并把它传到发送移位寄存器,之后TX把数据发送出去。
发送移位寄存器和接收移位寄存器的发送和接收是由波特率所控制的。从发送控制和接收控器分别有两个箭头指向了发送移位寄存器和接收移位寄存器。
而发送控制和接收器控制的时钟是由图中左下角产生的,图中右下角产生分数分频系数USARTDIV
波特率计算公式
控制寄存器1(USART_CR1)的位15
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