嵌入式ARM架构学习8——串口

一、单工、半双工、双工、串行、并行基础概念：

通信方式的关键分类包括：单工（单向，如广播）、半双工（双向但不同时，如对讲机）、全双工（双向同时，如电话）；串行（一位一位传）与并行（多位并行传，如AHB总线）。

区分串行通信（一类概念）与串口通信（具体实现），后者是前者的子集。

1. 什么是单工、半双工、全双工通信？

这是根据数据流向对通信方式进行的分类。

• 单工通信：数据只能在一个方向上传输，不能反向。一方固定为发送端，另一方固定为接收端。例如：广播、电视。

• 半双工通信：数据可以在两个方向上传输，但不能同时进行。在某一时刻，只能有一方发送，另一方接收。就像对讲机，说话时要按住“讲话”键，此时只能发送不能接收；松开键才能听对方说话，此时只能接收不能发送。

• 全双工通信：数据可以在两个方向上同时、独立地传输。双方都可以同时进行发送和接收操作。例如：电话、手机通话、现代网络通信。

核心区别：关键在于数据传输方向和能否同时进行。

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2. 什么是串行通信，什么是并行通信？

这是根据数据位传输方式进行的分类。

• 串行通信：将数据拆分成一位一位（bit），在一条信道上按顺序依次进行传输。

  • 优点：成本低（线路少）、抗干扰能力强、适合远距离通信。

  • 缺点：速度相对较慢（在相同时钟频率下）。

• 并行通信：使用多条信道，将数据的多个位（如8位、16位）同时传输出去。

  • 优点：速度理论上是串行的数倍（在相同时钟频率下）。

  • 缺点：成本高（线路多）、各信道间信号延迟可能导致数据错误、抗干扰能力差，不适合远距离通信。

核心区别：关键在于一次传输的数据位数和使用的信道数量。

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3. 什么是异步通信，什么是同步通信？

这是根据通信双方如何协调时钟（同步） 进行的分类。

• 异步通信：

  • 发送器和接收器有各自的时钟，不共享统一的时钟信号。

  • 以字符为单位进行传输。每个字符前后加上起始位和停止位，用于标识一个字符的开始和结束，从而实现同步。

  • 优点：实现简单，硬件成本低。

  • 缺点：附加位（起始、停止、校验位）带来额外开销，效率相对较低。

• 同步通信：

  • 通信双方共享一个统一的时钟信号（可以通过单独时钟线传输，或通过编码方式嵌入在数据流中）。

  • 以数据帧（包含大量数据字节的块）为单位进行传输。通过特定的同步字符或同步码来标识一帧数据的开始。

  • 优点：效率高，因为没有额外的起始/停止位开销。

  • 缺点：硬件复杂，对时钟同步的要求非常高。

核心区别：关键在于是否共享时钟以及以何种单位（字符/帧）和方式（起始停止位/同步字符）实现同步。

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4. 串口通信属于哪一类？

串口通信 通常指的是异步串行通信。

• 串行：数据一位一位地通过单条线路传输。

• 异步：通信双方使用各自的本地时钟，依靠起始位和停止位来协调每一个字节的传输。

我们常说的UART（Universal Asynchronous Receiver/Transmitter，通用异步收发器）就是实现这种通信方式的经典硬件。

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5. 串口通信的电器电平标准有哪些？

串口通信的逻辑“0”和“1”需要用电平来表示，常见的电器标准有以下几种：

1. TTL电平：

   • 这是芯片直接使用的电平。

   • 逻辑 “1”：+3.3V 或 +5V

   • 逻辑 “0”：0V

   • 特点：电平低，易受干扰，传输距离很短（通常板卡内部或板间通信）。

2. RS-232标准：

   • 这是经典的串口标准，使用负逻辑。

   • 逻辑 “1”：-3V ~ -15V （典型值 -12V）

   • 逻辑 “0”：+3V ~ +15V （典型值 +12V）

   • 特点：使用较高的电压和负逻辑，抗共模干扰能力强，传输距离比TTL远（可达15米左右）。电脑后面的9针D型串口（COM口）就是此标准。

3. RS-485标准：

   • 采用差分信号传输。

   • 使用两条线 A 和 B 的电压差来表示逻辑状态。

   • 逻辑 “1”： (A-B) < -200mV

   • 逻辑 “0”： (A-B) > +200mV

   • 特点：极强的抗共模干扰能力，支持多点通信（一个总线可挂多个设备），传输距离远（可达1200米以上），是工业领域广泛使用的标准。

4. RS-422标准：

   • 与RS-485类似，也采用差分传输，但定义为全双工通信（需要两对差分线），且通常为一点对多点的主从式通信。

总结：TTL用于短距离，RS-232用于中距离点对点，RS-485/422用于长距离和复杂工业环境的多点通信。

二、串口通信基础概念

1、串口通信属于串行、全双工、异步通信：

• 数据按位依次传输（串行），收发线独立可同时收发（全双工），无专用时钟线，依赖双方预先约定的波特率进行同步（异步）。

2 UART通信帧结构

• 空闲态为高电平，起始位（低电平）标志传输开始，随后是8位（或7位）数据位（低位先行），可选的校验位（奇/偶/无/恒1/恒0）用于错误检测，最后是1至2位停止位（高电平）恢复空闲状态。

3.数据传输速率

• 常见的波特率有：1200、2400、4800、9600、115200（一秒钟能发送的01位数）
• 波特率指每秒传输的比特数（如115200bps），通信双方的波特率差异需控制在6%以内以确保可靠通信。

4以上的是线路高低电平的逻辑关系，但是关于物理的电气特性（电压有多高）：

1. TTL电平(Transistor-Transistor Logic)通常指的就是芯片引脚产生的电压，这个电压值跟选择的芯片有关，在51单片机系统下是5v；在2440下是3.3v等等。5vTTL通信距离通常被限制在几米之间，如果需要更远的距离，怎么解决呢？
2. （升压）为解决这个问题IEEE(Institute of Electrical and Electronics Engineers)颁布了RS232标准，其中规定了：逻辑高电平（逻辑1）：在-3V到-15V之间；逻辑低电平（逻辑0）：在+3V到+15V之间收发主机间有三根线，分别是收、发和地，因此RS232是全双工的。理论上RS232能够传输20~30米。
3. （差分信号）同理RS485使用两根信号线（A和B）来传输数据，通过比较A和B之间的电压差来识别信息，电压范围分别为+7V到+12V和-7V到-12V。正电压表示高电平,负电压表示低电平。这种差分信号传输方式提高了抗干扰能力。RS485的传输距离可达1200米，适用于大范围的数据传输需求。由于采用的是压差，RS485在传输数据的某一时刻，只用两根线，所以它是半双工的。

三、UART模块与硬件实现

 嵌入式设备分为通信设备DCE（传感器采集）和传输设备DTE（交换机、上位机）

• UART（通用异步收发器）模块不仅支持普通串口，还兼容IRDA红外通信等其他异步串行协议，因此其寄存器众多但常用功能有限。

• 模块内部包含独立的发送（TX）和接收（RX）单元，均设有FIFO（队列）缓冲区以协调高速CPU与低速外设的数据交换，提升效率。
• DMA 直接内存访问：UART直接从RAM访问数据，释放内核

• 开发板通过CH340芯片实现USB与TTL电平的转换，利用USB接口既可进行数据通信也可供电，但推荐使用专用电源以保证稳定性和安全性。

• UART的时钟源来自IPG clock（外设时钟），而用于生成精确波特率的模块时钟（UART Clock Root）由系统时钟树提供，通常源自PLL3的480MHz时钟经分频得到。

四、UART通信参数配置

• 串口通信目标参数为115200 N 81，即波特率为115200，无校验位，8位数据位，1位停止位。

常见串口参数格式如115200N81或9600E81中各部分含义：波特率、校验类型（N无校验、E偶校验、O奇校验）、数据位数和停止位数。

传感器通信参数出厂已固定，主控设备需根据传感器手册配置相应通信参数以确保兼容性。

五、UART时钟配置

• UART模块使用IPG clock作为外设时钟（66MHz），无需修改。
• UART模块时钟根（UART clock root）来自PLL3主时钟480MHz经6分频得到80MHz，此为高速通信典型时钟。
• 确认默认配置下UART模块时钟为80MHz，适用于高速通信场景，无需额外分频设置。

六、UART寄存器配置

• 接收数据寄存器（UART_RXD）和发送数据寄存器（UART_TXD）主要用于数据读写，各使用低8位进行8位数据传输。
• 控制寄存器UCR1中的UARTEN位用于开启整个UART模块，应在所有配置完成后最后使能。
• UCR2中需设置IREN=1忽略流控引脚，PARITYEN=0关闭校验功能，STPB=0设置1位停止位，WS=1选择8位数据宽度，TXEN和RXEN分别使能发送和接收功能。
• UCR3中需将BIT2置1，这是IMX6ULL芯片UART控制器的一个特殊要求。
• 波特率生成通过UBIR和UBMR两个寄存器配合实现，根据公式计算出UBIR=999、UBMR=43401可接近115200bps目标速率。

• 状态寄存器USR2中TXDC位指示发送完成，RDR位指示接收数据就绪，编程时需轮询这些状态位以控制数据收发时序。

七、代码实现与测试

• 创建UART工程并编写初始化函数uart_init()，依次完成引脚复用、电气特性配置、软件复位及各项参数设置。
• 实现putc()发送字符函数和getc()接收字符函数，通过轮询TXDC和RDR状态位确保数据正确收发。
• 编写puts()字符串输出函数，基于putc()循环发送每个字符直至遇到字符串结束符。
• 使用串口调试助手作为上位机，验证板卡每隔一秒发送字符'a'的功能，确认通信正常。

八、标准库移植

• 将资料中的stdio文件夹复制到工程目录，包含标准输入输出头文件和源码实现。
• 修改Makefile添加include路径和lib路径，加入编译选项-fno-builtin避免内建函数冲突，指定链接库路径。
• 在UART驱动中实现空的raise()函数以满足printf异常处理需求。
• 主函数中使用scanf()和printf()成功实现数字输入计算和结果显示，验证标准库移植成功且具备回显功能。