UART 体系结构

来自Jack's Lab
2017年10月26日 (四) 09:15Comcat (讨论 | 贡献)的版本

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1 概述

UART:Universal Asynchronous Receiver Transmitter,通用异步收发器

即为嵌入式领域最为常说的串口。最常用的波特率为 9600bps、115200bps

“异步”是指不需要额外的时钟线进行数据的同步传输,是一种串行总线接口,只用两根线就可以完成数据的收发:一根线上发送数据,另一根线接收数据

发送和接受时,数据是逐位传输



2 物理层

帧格式

由起始位、数据位、校验位和停止位组成

Uart.frame.jpg


UART 空闲(IDLE)时(没有数据传递),总线为高电平(逻辑1)

开始数据传输时,首先发送起始位(低电平,逻辑0),然后再逐位传输数据(LSB --> MSB),数据传输完成后,有校验位则传输1位校验位,再传一位停止位(逻辑1,高电平)。至此,数据传输完成,UART 重回 IDLE 状态,总线上的电平为高


具体位解析:


  • 起始位 (1位,必须)
起始位是TX告知RX,数据传输即将开始。而RX无论何时,只要检测到低电平,就开始逐位接收数据。


  • 数据位
顾名思义,数据位是用来传输信息的。长度可以说5、6、7、8位。收/发双方需要在数据传输前,对双方的数据位作一致的定义。最常用的是 8 位


  • 校验位 (1位,可选)
为了保证数据传输的安全性而设。不是强制的,距离短确定无干扰的环境,为提高传输速度,可不用此位。
在数据长距离传输时,UART使用 RS-232、RS-485 传输,在传输的导线较长时,如遇干扰,会导致传输的数据错误(1变0,0变1)。加上校验位的话,接受端可做检验。如果校验出错,说明数据不可信,直接丢弃;校验通过的话,数据初步可信,进入下一级校验,通常在通信协议里再做一次校验
收/发双方,事先应商定好是否需要校验位。不需要,则罢;需要,则可选奇校验或偶校验


偶校验:数据位中的“1”的个数为偶数时,校验位为 0;数据位中的“1”的个数为奇数时,校验位为 1;即:保证数据位和校验位中1的个数为偶数

奇校验:数据位中的“1”的个数为偶数时,校验位为 1;数据位中的“1”的个数为奇数时,校验位为 0;即:保证数据位和校验位中1的个数为奇数


两个校验位的示例图:


Uart.example.01.jpg


Uart.example.02.jpg


  • 停止位
停止位当然是告诉 RX 停止传输了。它的位数比较特别,可以说1位、1.5位、2位
停止位始终为逻辑 1 (高电平)


  • 空闲位
TX 传输完成,RX 不能休息,其要始终盯着 URAT 总线上电平变化。。。




3 电气层

UART 传输信号线最少只要两根线,TX 和 RX

3.1 TTL

TTL:Transistor-Transistor Logic

单片机 (MCU) 内一般皆实现仅有 TX/RX 两根线的串口,通常称这类串口为 TTL Serial


  • Signal = 1 (HIGH): +5V / +3.3V
  • Signal = 0 (LOW): 0V



3.2 RS232

RS232: Recommended Standard 232

RS-232 标准(TIA-232) 由 TIA (Telecommunications Industry Association) 定义。其定义了接口的物理特性和电气特性。

RS-232 is practically identical to ITU V.24 (signal description and names) and V.28 (electrical)


RS232 is an Active LOW voltage driven interface and operates at +12V to -12V where:

  • Signal = 1 (HIGH): < -3.0V (MARK) (-15V ~ -3V)
  • Signal = 0 (LOW): > +3.0V (SPACE) (+3V ~ +15V)


除 TX 与 RX 线外,其还有多条其他的信号线:RTS, CTS, DSR, DTR, DCD, RI, GND 等



3.3 RS485

RS485采用差分信号负逻辑:

  • Signal = 1 (HIGH): +2V ~ +6V
  • Signal = 0 (LOW): -6V ~ -2V


RS485有两线制和四线制两种接线,四线制只能实现点对点的通信方式,现很少采用。

现在多采用的是两线制接线方式。在RS485通信网络中一般采用的是主从通信方式,即一个主机带多个从机。



4 类 16550 寄存器结构

Uart.reg.jpg


DLAB 是 LCR 寄存器的 LCR[7]



5 常见芯片

5.1 TTL RS232 一体

目前 PC 平台上,最常见的就是类 16550A 实现,CPU 主要通过 D0 - D7 数据口、A0 - A2 寄存器选择口操控 8250/16550,8250/16550 出来的信号就是 RS232


  • 8250 老芯片,始于 IBM XT,最高波特率应该是 9600bps
  • 16450 最高波特率 38400bps,无收发缓存,收或发一个字节就要一次软件处理,高速下 CPU 负担会很重
  • 16550A 最高波特率 115200bps,收发各有一个 32 字节的 FIFO Buffer,高速下,CPU负担低


[8250 Datasheet]

[16550 Datasheet]



5.2 TTL 转 RS232

常用 SP232、MAX232、UT3232、 SP3232、 MAX3232...


5.3 TTL 转 RS485

常用 MAX485,ISL3152E,ADM2483,ISO3082,ADM2587


硬件设计参考此页:RS485



6 参考















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