【硬件操作入门】3–同步与异步、半双工传输、UART硬件介绍、bps速率计算

参考自：韦东山（100ask）

一、同步与异步

1.1. 概念

	同步(synchronous)	异步(asynchronous)
栗子	朋友打电话说到我家吃饭，我在家里等他们	朋友没有提前打招呼，突然就到我家来了
信号线	时钟信号、数据信号	数据信号
读取信号方式	通过时钟信号的上升沿/下降沿来读取数据信号	通过模块的数据格式判断起始位、数据位(0/1)、结束位

1.2 同步信号

在电子产品中，使用同步信号进行传输时，一般涉及两个信号：

• 时钟信号（CLK）：用来通知对方要读取数据了

  • 可以在时钟的下降沿、或者上升沿来读取数据线信号 （打电话，起约定作用）；
  • 可以通过调节波特率（bps）来控制读取数据线信号的速率；

• 数据信号（DATA）：用来传输数据：
  

1.3 异步信号

使用异步信号传输数据时，A、B 双方遵守相同的约定（数据格式）：

• 起始信号：发送方可以通知接收方"注意了，我要开始传输数据了"
• 数据信号：如何表示0/1？ 在约好的时间段内判断电平状态
• 结束信号：发送方可以通知接收方"注意了，我要传输的数据 传完了"

1.4 举个例子：红外遥控器解码器（异步）

A发送 ==> B接收，B会检测到信号到达的数据格式，来判断该信号是 起始信号、数据信号还是结束信号。每个模块的数据格式各有不同，可在手册上查找。

红外遥控器解码器 向单片机发出的数据格式如下：

• 起始信号：解码器发出一个9ms的低电平、4.5ms的高电平，用来同时对方说"开始了"
  

• 数据信号

  • 逻辑1：0.56ms的低电平+1.69ms的高电平
  • 逻辑0：0.56ms的低电平+0.56ms的高电平

  

• 接收方、发送方都遵守这样的约定，就可以使用一条线传输数据

1.5. 同步与异步的差别

	同步传输	异步传输
信号线	多：时钟信号、数据信号	少：只需要数据信号
速率	可变，提高时钟信号频率即可（bps）	双方提前约定
抗干扰能力	强	弱（不一定）

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2、使用一线传输双向数据（半双工）

2.1. 面临的问题

两个设备之间，只使用一条数据线，能否传输双向的数据？

• A发出高电平，B发出低电平
  • 电路可能被损坏
  • 电路上到底是高电平还是低电平？不能确定
• 问题在于：有两个设备试图同时驱动电路

2.2. 解决方法

限制-同时驱动	允许-同时驱动
双方无法约定时间，此方法不可行	电路如下

• DATA：集电极、OPEN电路、也叫开极电路（open collector）

沿箭头方向 电势 U发送-U地 > 截至电压，三极管导通，电子由地==>A,聚集后扩散到集电极。

真值表如下：

A	B	DATA
0	0	1(由上拉电阻决定)
0	1	0
1	0	0
1	1	0

从真值表和电路图我们可以知道：

• A或B任意一个或均为高电平时，便可使对应三极管导通，DATA <== 0

• 想让DATA输出高电平，双方都不驱动三极管 （SDA通过上拉电阻变为高电平）

• 想让DATA输出低电平，就驱动三极管

这种电路实现了：

• 双方设备即使同时想输出不同的电平：
  • 电路也不会被损坏
  • 电平也是确定的；

2.3. 双向传输示例

• 初始状态：一开始，双方都不驱动三极管，DATA为高

• 起始信号和回应：A想传输数据给B，发出开始信号、得到回应信号

  • A检测DATA线，高表示对方没有占用数据线
  • A驱动三极管，使得DATA为低，用来通知B：”我就要传输数据了“
  • A释放三极管，DATA变为高
  • B驱动三极管，使得DATA为低，用来通知A：好的，我准备好了(这是一个回应信号)
  • B释放三极管，DATA变为高

• 传输：A发送数据给B，比如传输2位数据0、1

  • 双方都使用同一套数据表示方法，比如：数值由DATA电平决定（持续60us 有效）
  • 在第1个60us，A设置DATA为低；在同一时间，B读取DATA电平得到数据0
  • 在第2个60us，A设置DATA为高；在同一时间，B读取DATA电平得到数据1

• 结束：A释放三极管，DATA变为高电平

• 这时候，B也可以使用一样的方法给A传输数据

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3、UART硬件介绍

3.1. 串口的硬件介绍

UART的全称是Universal Asynchronous Receiver and Transmitter，即 通用的异步发送和接收。
串口在嵌入式中用途非常的广泛，主要的用途有：

• 打印调试信息；
• 外接各种模块：GPS、蓝牙；

串口因为结构简单、稳定可靠，广受欢迎。通过三根线即可，发送、接收、地线。

• 通过TxD->RxD把ARM开发板要发送的信息发送给PC机。
• 通过RxD->TxD线把PC机要发送的信息发送给ARM开发板。
• 最下面的地线统一参考地。

3.2. 串口的参数

• **波特率：**一般选波特率都会有9600,19200,115200等选项。其实意思就是每秒传输这么多个比特位数(bit)。
• 起始位: 先发出一个逻辑”0”的信号，表示传输数据的开始。
• **数据位：**可以是5~8位逻辑”0”或”1”。如ASCII码（7位），扩展BCD码（8位）。小端传输。
• **校验位：**数据位加上这一位后，使得“1”的位数应为偶数(偶校验)或奇数(奇校验)，以此来校验数据传送的正确性。（可靠性）
• **停止位：**它是一个字符数据的结束标志。

3.3 怎么发送一字节数据，比如‘A‘?

‘A’的ASCII值是0x41,二进制就是01000001，怎样把这8位数据发送给PC机呢？

• 双方约定好波特率（每一位占据的时间）；

• 规定传输协议

  • 原来是高电平，ARM拉低电平，保持1bit时间；
  • PC在低电平开始处计时；
  • ARM根据数据依次驱动TxD的电平，同时PC依次读取RxD引脚电平，获得数据；
  • PC在数据位的中间读取引脚状态；

3.4 逻辑电平

• 代表信号1的引脚电平是人为规定的。

• 如图是TTL/CMOS逻辑电平下，传输‘A’时的波形：
  

• 在xV至5V之间，就认为是逻辑1，在0V至yV之间就为逻辑0。

• 如图是RS-232逻辑电平下，传输‘A’时的波形：

• 在-12V至-3V之间，就认为是逻辑1，在+3V至+12V之间就为逻辑0。

• RS-232的电平比TTL/CMOS高，能传输更远的距离，在工业上用得比较多。

市面上大多数ARM芯片都不止一个串口，一般使用串口0来调试，其它串口来外接模块。

3.5. 串口电平

• ARM芯片上得串口都是TTL电平的，通过板子上或者外接的电平转换芯片，转成RS232接口，连接到电脑的RS232串口上，实现两者的数据传输。
  

• 如图

• 现在的电脑越来越少有RS232串口的接口，当USB是几乎都有的。因此使用USB串口芯片将ARM芯片上的TTL电平转换成USB串口协议，即可通过USB与电脑数据传输。
  

  上面的两种方式，对ARM芯片的编程操作都是一样的。

• 对于arm开发板，串口0一般用来调试打印，其他串口可以外接各种模块

3.6. 串口内部结构

ARM芯片是如何发送/接收数据？
如图所示串口结构图：

• UART串口线上，是逐位发送，串行通信，肯定有一个移位器（Transmit Shifter）；
• 移位器的数据，从发送缓冲寄存器（FIFO）中来；FIFO里的数据，从内存里面来；
• arm ==> PC（发送）
  • 程序将数据从arm 内存中写入到FIFO，然后UART单元再从FIFO里面把数据放到移位器里面，逐位的发送出去（==> PC），在发送完成后产生中断提醒CPU传输完成。
• PC ==> arm（接收）
  • 获取接收引脚的电平，逐位放进接收移位器，放入FIFO，程序把数据从FIFO中 写入arm内存；完成后产生中断提醒CPU传输完成；

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4、Bps速率计算

• 若Band rate：115200

• 115200，8n1（Data、校验位、停止）

• 每一位的时间：1/115200 s

• 传输一Byte：需要10位（Start、Data、Stop） t = 10/115200 s

• 一秒能传输11520Byte

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