嵌入式技术应用教程——基于S3C2410第八章.doc

第八章 UART串口8.1 概述S3C2410A的UART（通用异步收发器）提供了三个独立的异步串行口（SIO），每个串口都可以用中断方式或DMA方式与CPU传输数据。如果采用S3C2410A内部的系统时钟，UART的波特率可达230.4kbps。如果用外部时钟UEXTCLK来驱动UART，那么UART还可以运行在更高的速率上。每个UART通道都包括了收发两个16byte的FIFO（first in first out）。S3C2410A中每个UART都包括了一个波特率发生器、一个发送器、一个接收器和一个控制单元。波特率发生器可由时钟PCLK或UEXTCLK来驱动。收发器包括了16byte的FIFO和数据移位器。写入到FIFO内的数据在发送前会被拷贝到发送移位器中去，然后数据由Pin TxD上移出发送移位器中的数据。从外部接收到的数据从Pin RxD上移入芯片并拷贝到接收FIFO中去。S3C2410A中UART的帧格式为1bit起始位、58bit数据位、可选校验位和12bit停止位。UART0UART2都支持红外收发，UART0和UART1带有流控信号nRTS0、nCTS0、nRTS1和nCTS1。另外，S3C2410A中的UART支持收发握手协议。图8.1为带FIFO功能的UART框图。图8.18.2 UART的操作UART的操作包括数据发送、数据接收、中断产生、波特率发生、自环模式、红外模式和自动流控。1. 数据发送发送的数据帧是可编程的，它由1bit起始位、58bit数据位、可选校验位和12bit停止位组成。这些选择项都由寄存器ULCONn来控制。发送器可产生break条件（停发），这个break信号迫使发送器向外发送逻辑0信号。Break信号必须在当前数据发送完毕后才能生效。2. 数据接收与发送类似，接收的数据帧也是可编程的，具体设置与发送的数据帧相同。接收器可以检测溢出错误和帧错误。overrun error（溢出错误）为：在上一帧数据还没有完全从FIFO或保持寄存器中取走，新的数据就覆盖了老的数据。frame error（帧错误为）：接收到的数据帧没有可用的停止位。当在3个字（字长为用户定义）的时间内接收器没有接收到数据，那么就启动接收超时操作，此时在FIFO模式下，Rx FIFO不为空。3. AFC-Auto Flow Control（自动流控制）S3C2410A中的UART0和UART1支持自动流控。自动流控必须采用nRTS和nCTS两个信号。采用流控后，可以将这两个UART与外部UART相连接。如果用户要将UART与一个Modem（调制解调器）相连接，那么在UMCONn寄存器中禁止自动流控并且用软件方式控制nRTS信号。在AFC模式下，nRTS信号在接收器上起作用，nCTS在发送器上起作用。当nCTS信号被激活时，UART发送器发送FIFO中的数据（nCTS激活意味着其他UART设备已经准备好接收数据了）。在UART接收数据之前，当接收FIFO内有至少2byte空间时，nRTS信号被激活；当接收FIFO内的空间少于1byte时，nRTS信号无效（nRTS激活意味着自己的UART接收FIFO准备好接收数据了）。图8.2为采用流控的连接示意图。注意：UART2不支持AFC功能。图8.2如果没有自动流控，可以靠软件控制nRTS和nCTS来完成数据传输操作。4. 采用FIFO作为数据缓冲的Rx操作：（1）选择接收模式（中断或DMA）。（2） 在UFSTATn寄存器中，检查Rx FIFO计数器的值。如果该值小于15，用户必须将UMCONn0设置为“1”（激活nRTS）；如果这个值大于或等于15，用户就要将UMCONn0设置为“0”（禁止nRTS）。（3）重复步骤（2）。5. 采用FIFO作为数据缓冲的Tx操作：（1）选择发送模式（中断或DMA）。（2）检查UMSTATn0的值，如果这个值为“1”（nCTS已经被激活），那么用户就要写数据到Tx FIFO寄存器，准备发送数据。6. RS-232C接口如果要将UART连接到modem接口上（不是null modem），nRTS、nCTS、nDSR、nDTR、nDCD和nRI这些信号都是必须的。在这种情况下，用户可以用软件的方式配合I/O口来控制这些信号（用I/O口来模拟上述这些信号）。S3C2410A不支持RS-232C接口。7. 中断/DMA每个UART都有5个状态信号：溢出错误、帧错误、接收数据缓冲区准备好、发送缓冲区空和发送移位器空。这些状态都在状态寄存器UTRSTATn和UERSTATn中有定义。溢出错误和帧错误都是针对接收器而言的。如果UCONn中的接收中断是是呢个的，那么每种错误状态都会引起中断请求。当检测到接收错误状态中断请求，引起错误的原因可由寄存器UERSTATn中读出判断。在接收器将接收移位器中的数据转移到FIFO中（FIFO模式），并且接收数据的数量达到了Rx FIFO的触发值时，产生Rx中断（必须保证中断是使能的）。在非FIFO模式下，接收器会将接收移位器中的数据转移到接收保持寄存器中。在将发送FIFO中的数据转移到发送移位器中且留在发送FIFO中的数据的数量达到Tx FIFO触发值时，产生Tx中断（必须保证中断是使能的）。在非FIFO模式下，将发送保持移位寄存器中的数据转移到发送移位器中会引起Tx中断。如果接收和发送模式选择了DMA方式，那么前面描述的中断状态将变为DMA请求方式。表8.1说明了在FIFO模式和非FIFO模式下中断的具体操作。表8. 1类型FIFO模式非FIFO模式Rx中断无论何时接收数据量达到了Rx FIFO的触发值，中断都会产生。当FIFO中的数据个数没有达到Rx FIFO的触发值并且在3个字长的时间内没有收到任何数据（接收超时），中断都会发生。这3个字长是由字长设置bit来进行配置的。当接收缓存满了以后，中断发生。Tx中断当发送的数据量达到发送FIFO的触发值时，中断发生。当发送缓存为空时，中断发生。错误中断检测到帧错误时，中断发生。当接收的数据已经将接收FIFO填满而不取走数据时（溢出），中断发生。所有错误都产生中断，但只有一个中断产生。8. UART错误状态FIFOUART除了Rx FIFO外还有错误状态FIFO。这个FIFO说明了FIFO中接收到的数据有错误。当要试图去读取发生错误的数据时，错误中断产生。为了清零错误状态FIFO，必须去读取UERSTATn和带有错误的URXHn寄存器。例如：如果UART的Rx FIFO顺序收到了字符A、B、C和D，在收到B时出现了帧错误。实际上UART接收错误不会产生任何中断，因为错误的数据还没有被读出。当试图去读取这个错误数据时，中断才会发生。9. 波特率发生器波特率发生器为收发操作提供时钟驱动。波特率发生器的时钟源可以是S3C2410A中的系统时钟或UEXTCLK。由UCONn寄存器来设置时钟源选择。波特率发生器的时钟计算是由寄存器UBRDIVn来确定的，计算公式为：UBRDIVn=intPCLKBaudrate16-1UBRDIVn的值在1216 -1之间，（int）为下取整为了对UART进行更为精确地操作，S3C2410A还支持采用外部UEXTCLK时钟源来代替芯片的系统时钟源。如果S3C2410A采用了UEXTCLK（UEXTCLK由外部UART设备或系统提供），则UART的串行时钟将和UEXTCLK同步。这样用户可以更为精准对进行UART操作。此时寄存器UBRDIVn的值为：UBRDIVn=intUEXTCLKBaudrate16-1UBRDIVn的值在1216-1之间且UEXTCLK的频率要小于PCLK的频率波特率计算举例：取波特率为115200bps，PCLK=UEXTCLK=40MHz，则UBRDIVn=int4000000011520016-1UBRDIVn=int21.7-1UBRDIVn=21-1UBRDIVn=2010. 波特率计算精度UART的帧错误率应小于1.87%。tUPCLK=(UBRDIVn+1)161FramePCLKtUEXACT=1FrameBaudrateUART error=tUPCLK-tUEXACTtUEXACT100%其中tUPCLK为实际的UART时钟，tUEXACT为理想的UART时钟。注意：1Frame=start bit+data bit+parity bit+stop bit实际上，S3C2410A的波特率可以支持到921.6kbps。例如，在UART error=1.69%，PCLK=60MHz的条件下，S3C2410A的UART波特率可达921.6kbps。11. Loopback模式Loopback模式是一种自环检测模式，即将TXD和RXD在S3C2410A的内部直接连接起来实现检测功能。设置UCONn中的loopback bit来启动这项功能。12. Infra-Red（IR）模式S3C2410A的UART支持红外模式。在UCONn中设置Infra-red-mode bit来开启这项功能。在IR发送模式下，发送时钟脉冲的宽度为正常UART帧数据宽度的3/16，且这个正常的UART帧数据是发送“0”时的数据宽度。在IR接收模式下，接收器必须检测3/16的脉冲周期以便可以辨识出一个“0”。如图8.3、8.4和8.5所示。图8.3 正常模式下帧时序图8.4 IR发送模式下帧时序图8.5 IR接收模式下帧时序8.3 UART寄存器描述1. UART LINE CONTROL REGISTER（ULCON）ULCON包括了ULCON0ULCON2三个寄存器，分别对应UART0UART2。ULCONnBit功能复位值Reserved（保留）70红外模式60=正常操作模式；1=红外操作模式0校验模式5:30xx=无校验位；100=奇校验；101=偶校验110=强制校验位“1”；111=强制校验位“0”000停止位个数20=每帧1bit停止位；1=，每帧2bit停止位0字长1:000=5bit；01=6bit；10=7bit；11=8bit002. UART CONTROL REGISTER（UCON）UCON包括了三个寄存器UCON0UCON2。UCONnBit功能复位值时钟选择100=PCLK；1=UEXTCLK（GPH8）0Tx中断类型90=脉冲（在非FIFO模式下，Tx缓冲区为空时，中断发生；在FIFO模式下，达到Tx FIFO触发值时，中断发生）1=电平（在非FIFO模式下，Tx缓冲区为空时，中断发生；在FIFO模式下，达到Tx FIFO触发值时，中断发生）0Rx中断类型80=脉冲（在非FIFO模式下，只要Rx缓冲区收到数据，中断就发生；在FIFO模式下，达到Rx FIFO触发值时，中断发生）1=电平（在非FIFO模式下，只要Rx缓冲区收到数据，中断就发生；在FIFO模式下，达到Rx FIFO触发值时，中断发生）0接收超时使能7当UART FIFO使能时，使能或禁止接收超时中断。0=禁止；1=使能0接收错误状态中断使能60=不产生接收错误状态中断1=产生接收错误状态中断0自环模式50=正常模式；1=自环模式0保留40发送模式3:200=禁止；01=中断或查询10=DMA0（UART0）/DMA3（UART2）11=DMA1（UART1）00接收模式1:000=禁止；01=中断或查询10=DMA0（UART0）/DMA3（UART2）11=DMA1（UART1）003. UART FIFO CONTROL REGISTER（UFCON）UFCON包括了三个寄存器UFCON0UFCON2。UFCONnBit功能复位值Tx FIFO触发值7:600=空；01=4byte；10=8byte；11=16byte00Rx FIFO触发值5:400=4byte；01=8byte；10=12byte；11=16byte00保留30Tx FIFO复位2复位FIFO后自动清零。0=正常；1=Tx FIFO 复位0Rx FIFO复位1复位FIFO后自动清零。0=正常；1=Rx FIFO 复位0FIFO使能00=禁止；1=使能04. UART MODEM CONTROL REGISTER（UMCON）UMCON包括了两个寄存器UMCON0和UMCON1。UMCONnBit功能复位值保留7:5这两位必须为000AFC40=禁止；1=使能0保留3:1这两位必须为000RTS0如果AFC使能，则这位被忽略。这种情况下，S3C2410A将自动控制nRTS。如果AFC被禁止，nRTS由软件来控制。0=高电平（nRTS无效）；1=低电平（nRTS有效）05. UART TX/RX STATUS REGISTER（UTRSTAT） UTRSTAT包括了三个寄存器UTRSTAT0 UTRSTAT2。UTRSTATnBit功能复位值发送器空2在发送缓存寄存器没有可用数据发送并且发送移位器也为空时，该位自动置“1”。0=不为空；1=发送器空（发送缓冲和移位器空）1发送缓存空1当发送缓存为空时，该位自动置“1”。0=缓存不为空1=空（在非FIFO模式下，直接产生中断或DMA请求；在FIFO模式下，当Tx FIFO触发值为00时，产生中断或DMA请求）如果UART采用FIFO模式，用户要检查在寄存器UFSTAT中的Tx FIFO计数器bit和Tx FIFO Full bit，而不是该bit位。1接收缓存准备好0当接收缓存内有可用数据时，该位自动设置为“1”。0=空1=缓存已经收到数据（在非FIFO模式下，直接产生中断或DMA请求）如果UART采用FIFO模式，用户要检查在寄存器UFSTAT中的Rx FIFO计数器bit和Rx FIFO Full bit，而不是该bit位。06. UART ERROR STATUS REGISTER（UERSTAT） UERSTAT包括了三个寄存器UERSTAT0UERSTAT2。UERSTATnBit功能复位值保留30=接收过程中无帧错误；1=存在帧错误（产生中断）0帧错误2当在接收过程中产生帧错误时，该位自动置“1”。0=接收过程中无帧错误；1=存在帧错误（产生中断）0保留10=接收过程中无帧错误；1=存在帧错误（产生中断）0溢出错误0当在接收过程中出现溢出错误，该位自动置“1”。0=接收过程中无溢出错误；1=溢出（发生中断）0注意：当进行读取UART错误状态寄存器时，UERSTATn3:0自动被清零。7. UART FIFO STATUS REGISTER（UFSTAT） UFSTAT包括三个寄存器UFSTAT0UFSTAT2。UFSTATnBit功能复位值保留15:100Tx FIFO满9在发送操作过程中当发送FIFO满以后自动置“1”。0=0byteTx FIFO数据量15byte；1=满0Rx FIFO满8在接收操作过程中当接收FIFO满以后自动置“1”。0=0byteRx FIFO数据量15byte；1=满0Tx FIFO计数7:4Tx FIFO中的数据个数0Rx FIFO计数3:0Rx FIFO中的数据个数08. UART MODEM STATUS REGISTER（UMSTAT） UMSTAT包括了两个寄存器UMSTAT0和UMSTAT1。UMSTATnBit功能复位值Delta CTS4说明输入给S3C2410A的nCTS信号是否发生变化（从上一次变化开始算起）0=没有变化；1=有变化0保留3:10清除发送00=nCTS信号无效（高电平）；1=nCTS信号有效（低电平）09. UART TRANSMIT BUFFER REGISTER (HOLDING REGISTER & FIFO REGISTER) UTXH包括了三个寄存器UTXH0UTXH2。UTXHnBit功能复位值TXDATAn（发送的数据）7:0UARTn要发送的数据-10. UART RECEIVE BUFFER REGISTER (HOLDING REGISTER & FIFO REGISTER) URXH包括了三个寄存器URXH0URXH2。URXHnBit功能复位值RXDATAn（发送的数据）7:0UARTn接收到的数据-11. UART BAUD RATE DIVISOR REGISTER（UBRDIV） UBRDIV包括了三个寄存器UBRDIV0UBRDIV2。UBRDIVnBit功能复位值UBRDIV15:0波特率分频值UBRDIVn0-8.4 程序分析文件Uart_driver.h定义了一些相关于UART的操作函数，这些函数在文件Uart_driver.c被实现。Uart_driver.h程序：void Uart_Init(int pclk,int baud);char Uart_Getch(void);char Uart_GetKey(void);void Uart_GetString(char *string);void Uart_SendByte(int data);void Uart_SendString(char *pt);void Uart_Printf(char *fmt,.);void Uart_Select(int ch);Uart_driver.c程序分析：1. void Uart_Init(int pclk,int baud); /UART初始化函数void Uart_Init(int pclk,int baud) int i; if(pclk = 0) pclk = PCLK; rUFCON0 = 0x0; /UART channel 0 FIFO control register, FIFO disable rUFCON1 = 0x0; /UART channel 1 FIFO control register, FIFO disable rUFCON2 = 0x0; /UART channel 2 FIFO control register, FIFO disable rUMCON0 = 0x0; /UART chaneel 0 MODEM control register, AFC disable rUMCON1 = 0x0; /UART chaneel 1 MODEM control register, AFC disable /UART0 rULCON0 = 0x3; rUCON0 = 0x245; rUBRDIV0=( (int)(pclk/16./baud+0.5) -1 );/UART1 rULCON1 = 0x3; rUCON1 = 0x245; rUBRDIV1=( (int)(pclk/16./baud) -1 ); /UART2 rULCON2 = 0x3; rUCON2 = 0x245; rUBRDIV2=( (int)(pclk/16./baud) -1 ); for(i=0;i100;i+);if(pclk = 0)pclk= PCLK; PCLK在option.h中有定义，PCLK= 202800000/4即S3C2410A的系统时钟PCLK。在TARGET.c中调用Uart_Init函数的调用值为pclk=0、baud=115200，即采用S3C2410A的系统时钟作为波特率发生器的时钟源，且波特率为115200bps。rUFCON0 = 0x0;禁止使用UART0的FIFO。rUFCON1 = 0x0;和rUFCON2 = 0x0;分别是禁止使用UART1和UART2的FIFO。rUMCON0 = 0x0;和rUMCON1 = 0x0;是禁止UART0和UART1的AFC功能。rULCON0=0x3;（0011b）即定义UART的帧格式。8bit数据位，1bit停止位，无校验位，正常模式操作。rUCON1= 0x245;（0010_0100_0101b）即定义接收和发送模式都采用中断或查询方式；正常操作不自环；产生接收错误状态中断；禁止接收超时中断；接收中断请求为脉冲式；发送中断请求为电平式；UART工作时钟选择PCLK。rUBRDIV0=( (int)(pclk/16./baud+0.5) -1 );计算波特率分频寄存器的值。至此UART0设置完毕。后面的程序中又分别对UART1和UART2进行了设置，具体参数与UART0相同。for(i=0;i100;i+);为延时程序。2. void Uart_Select(int ch)这个函数的功能是选择串口通道。S3C2410A共有三个UART。void Uart_Select(int ch) whichUart = ch;3. void Uart_TxEmpty(int ch)void Uart_TxEmpty(int ch) if(ch=0) while(!(rUTRSTAT0 & 0x4); /Wait until tx shifter is empty. else if(ch=1) while(!(rUTRSTAT1 & 0x4); /Wait until tx shifter is empty. else if(ch=2) while(!(rUTRSTAT2 & 0x4); /Wait until tx shifter is empty.ch为UART的通道标号，即whichUart。这个程序分别判断了UART0UART2的发送器（发送缓存和移位寄存器）是否为空，如果不为空，那么程序处于等待状态。具体是依靠判断寄存器UTRSTATn的第三位的值来确认发送器是否为空。如果UTRSTATn2=1b，那么发送器为空。4. char Uart_Getch(void)char Uart_Getch(void) if(whichUart=0) while(!(rUTRSTAT0 & 0x1); /Receive data ready return RdURXH0(); else if(whichUart=1) while(!(rUTRSTAT1 & 0x1); /Receive data ready return RdURXH1(); else if(whichUart=2) while(!(rUTRSTAT2 & 0x1); /Receive data ready return RdURXH2(); else return 0;从UART接口获取一个字符。程序中RdURXH0()、RdURXH1()和RdURXH2()在文件2410addr.h中有定义，分别对应三个UART接收缓存寄存器的地址（小端格式）。RdURXH0()为URXH0的地址，RdURXH1()为URXH1的地址，RdURXH2()为URXH2的地址。在程序中，检查寄存器UTRSTATn0的值，判断是否已经接收到数据（UTRSTATn0=1b即接收到了数据）。如果接收到了数据，那么返回接收缓存寄存器内的数据；如果没有收到数据，那么程序处于等待状态直到收到数据为止。此程序中whichuart为UART通道号，分别判断三个UART通道有没有收到数据。5. char Uart_GetKey(void)char Uart_GetKey(void) if(whichUart=0) if(rUTRSTAT0 & 0x1) /Receive data ready return RdURXH0(); else return 0; else if(whichUart=1) if(rUTRSTAT1 & 0x1) /Receive data ready return RdURXH1(); else return 0; else if(whichUart=2) if(rUTRSTAT2 & 0x1) /Receive data ready return RdURXH2(); else return 0; else return 0; 这个程序与Uart_Getch函数很类似，也是从UART返回一个字符，不同的是当UART没有收到数据时，不会进行等待而直接返回“0”值。这个函数是用来从UART返回一个键值。6. void Uart_GetString(char *string)void Uart_GetString(char *string) char *string2 = string; char c; while(c = Uart_Getch()!=r) if(c=b) if( (int)string2 (int)string ) Uart_Printf(b b); string-; else *string+ = c; Uart_SendByte(c); *string=0; Uart_SendByte(n);该函数的功能就是从UART返回一个一个的字符，然后组成一个字符串存储到指针变量string定义的地址空间中去。string是一个字符型指针变量，也即string定义了一个存储字符的内存空间的起始地址，这个变量和单片机中MOV 32H，A的中32H很类似。该函数还有自动回传功能，即收到字符串后自动从UART上将收到的字符串发送回上位机。改程序还可以实现退格操作。附：C语言常用的转义字符b 退格f 换页n 换行r 回车t 水平制表v 垂直制表 反斜杠? 问号字符 单引号字符 双引号字符空字符ddd 一到三位八进制xhh 一到二位十六进制7. int Uart_GetIntNum(void)int Uart_GetIntNum(void) char str30; char *string = str; int base = 10; int minus = 0; int result = 0; int lastIndex; int i; Uart_GetString(string);/接收字符串 if(string0=-) /判断数据是否是负数 minus = 1; string+;/负号后面才是数据 if(string0=0 & (string1=x | string1=X) /判断数据是否 /是十六进制数 base = 16; string += 2; /移位2位，字符串“0x”后面才是十六进制数 /strlen求出了字符串的长度 lastIndex = strlen(string) - 1; if(lastIndex0) return -1; /用h或H来表示的十六进制数 if(stringlastIndex=h | stringlastIndex=H ) base = 16; stringlastIndex = 0; lastIndex-; if(base=10) /默认数制是十进制数 result = atoi(string); /将字符串转