UART驱动学习一（UART硬件介绍）

一、UART硬件介绍

1. 串口的硬件介绍

UART的全称是Universal Asynchronous Receiver and Transmitter，即异步发送和接收。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。
在这里插入图片描述

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。

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。
停止位：它是一个字符数据的结束标志。
流控（Flow Control）：是用于管理数据传输速率的一种机制，以确保发送方不会发送过多数据而使接收方的缓冲区溢出。流控在串口通信中非常重要，特别是在主设备和从设备之间的数据交换速度不匹配时。流控主要有两种方式：硬件流控和软件流控。

### 1. 硬件流控（Hardware Flow Control）

硬件流控通过使用额外的控制线来实现，主要包括：
- **RTS（Request to Send）**：请求发送信号，发送方在准备好要发送数据时会将该信号置为有效。
- **CTS（Clear to Send）**：清除发送信号，接收方使用此信号来告知发送方它可以开始发送数据。收到 CTS 信号后，发送方确认可以发送数据。

**硬件流控的工作流程：**
1. 发送方首先将 RTS 信号置为有效，表示它准备好发送数据。
2. 接收方在接收到 RTS 信号后，如果有足够的空间接收数据，则将 CTS 信号置为有效，允许发送方开始发送数据。
3. 发送方开始数据传输，直到发送完成或者 RTS 信号被禁用，在此过程中的流控可以防止数据丢失。

### 2. 软件流控（Software Flow Control）
软件流控通过数据流中的特定字符来控制数据传输，常见的字符包括：

- **XON**：用于开始数据传输。一般约定字符 `0x11`。
- **XOFF**：用于停止数据传输。一般约定字符 `0x13`。

**软件流控的工作流程：**
1. 当接收方的缓冲区快要满时，它会发送 XOFF 字符给发送方，以指示其停止发送数据。
2. 当接收方处理完数据，缓冲区有空余时，它会发送 XON 字符给发送方，允许其继续发送数据。

### 3. 流控的优缺点
#### 硬件流控
- **优点**：
  - 性能较好，能提供可靠的控制。
  - 处理速度快，不会消耗数据带宽。
  
- **缺点**：
  - 需要额外的线路，增加了布线复杂性。
  - 不支持所有场景，尤其是当设备之间没有足够的接口时。
#### 软件流控

- **优点**：
  - 不需要额外的线路，使用现有的数据线路实现。
  - 在没有硬件流控的设备之间可以实现流控。
  
- **缺点**：
  - 会占用数据带宽，降低有效传输率。
  - 可能会因为字符的丢失或误判而导致流控失败。

### 4. 选择流控的考虑因素
在选择使用硬件流控还是软件流控时，需要考虑以下因素：

- **设备的接口和连接**：硬件流控需要额外的线缆，而软件流控则仅依赖于数据流。
- **传输速率和带宽**：如果保持高数据传输率是优先考虑的因素，硬件流控可能是更好的选择。
- **实现的复杂性和成本**：软件流控可能更简单易用，因为它不需要额外的硬件支持

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 SOC拉低电平，保持1bit时间；
- PC在低电平开始处计时；
- ARM SOC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；

前面图中提及到了逻辑电平，也就是说代表信号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：
在这里插入图片描述
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来调试输出打印信息，其它串口来外接模块。

3. 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。
在这里插入图片描述
现在的电脑越来越少有RS232串口的接口，但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。

4. 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：
在这里插入图片描述

要发送数据时，CPU控制内存要发送的数据通过FIFO传给UART单位，UART里面的移位器，依次将数据发送出去，在发送完成后产生中断提醒CPU传输完成。
接收数据时，获取接收引脚的电平，逐位放进接收移位器，再放入FIFO，写入内存。在接收完成后产生中断提醒CPU传输完成。

二、比较常见串口设计

参考阅读：UART 通信方式及寄存器手册

一般的串口设计的寄存器功能描述以及工作原理都与上述链接所讲解的内容类似，大家自行学习了解。

在这里给大家额外补充一点知识：在Linux串口驱动源码中，有个8250文件夹（drivers/tty/serial/8250/），代表了一类串口，文件（drivers/tty/serial/8250/8250_of.c）中提及了多种型号的串口设计，对于各自的关系总会有些疑惑，在这里和大家一块讨论下：

8250系列串口和TL16C550、NS16450、NS16550A、NS16850等芯片都是用于串口通信的 UART（通用异步收发传输器）芯片。它们在功能、性能和特性上有所不同，但都在串口通信中执行类似的基本任务，即负责发送和接收串行数据。以下是它们之间的关系和主要区别：

1. 8250系列

基本概念：8250是早期的串口通信控制器，广泛用于串口通信应用。8250可以处理数据的发送和接收，但其性能相对较低。
主要特性：
- 最大波特率较低，通常为 9600 bps。
- 只有一个接收和一个发送缓冲区，容易遇到数据丢失的问题，特别是在高数据速率下。

2. TL16C550

基本概念：TL16C550是对8250的一个改进版本，引入了多个功能增强。
主要特性：
- 支持更高的波特率。
- 提供16字节的接收和发送缓冲区，减少了数据丢失的风险。
- 增强了对流控和中断的支持。

3. NS16450

基本概念：NS16450是TL16C550的改进版，具有一些额外特性。
主要特性：
- 提供高达 115200 bps 的波特率。
- 引入了附加的控制寄存器，可以更好地支持多线程环境。
- 仍然有16字节的发送和接收缓冲区，但有更好的数据处理能力。

4. NS16550A

基本概念：NS16550A是更先进的UART，增加了更多的缓存和扩展功能。
主要特性：
- 扩大了接收和发送缓冲区，通常为 16 字节。
- 增强的FIFO（先进先出）控制，允许以更高的速度处理数据，极大提升了串口通信的性能。
- 支持更快的波特率，提供更好的兼容性。

5. NS16850

基本概念：NS16850是NS16550的进一步扩展，支持更高级的功能。
主要特性：
- 增强的FIFO缓冲（可达 64 字节），进一步减少数据丢失。
- 引入了更复杂的流控机制，支持更高的传输速率。
- 具有更强的兼容性和扩展性，可以应用于更复杂的通信系统，例如网络设备和多用户系统。

总结

以上不同的UART芯片代表了串口通信技术从早期8250到现代NS16850的演变过程，随着技术的发展，它们在数据处理能力、缓冲区大小和支持的波特率等方面逐步得到了增强。这使得现代的串口通信能够在更高的速度和更复杂的环境中工作。例如，现代操作系统和硬件往往使用NS16550A或NS16850，因为它们提供了优良的性能和功能。如果需要在特定应用中选择合适的串口芯片，可以根据上述特性进行参考。

本文章参考了韦东山老师驱动大全部分笔记，其余内容为自己整理总结而来。水平有限，欢迎各位在评论区指导交流！！！😁😁😁