文章目录

一、串口通信协议简介
- 1. 物理层
- 2. 协议层
二、SCI 简介
三、SCI的结构框图
四、UART波特率计算

一、串口通信协议简介

串口通讯(Serial Communication)是一种设备间非常常用的串行通讯方式，因为它简单便捷，因此大部分电子设备都支持该通讯方式，电子工程师在调试设备时也经常使用该通讯方式输出调试信息。在计算机科学里，大部分复杂的问题都可以通过分层来简化。如芯片被分为内核层和片上外设。对于通讯协议，我们也以分层的方式来理解，最基本的是把它分为物理层和协议层。物理层规定通讯系统中具有机械、电子功能部分的特性，确保原始数据在物理媒体的传输。协议层主要规定通讯逻辑，统一收发双方的数据打包、解包标准。简单来说物理层规定用嘴巴还是用肢体来交流，协议层则规定用中文还是英文来交流。下面分别对串口通讯协议的物理层及协议层进行讲解。

1. 物理层

串口通讯的物理层有很多标准及变种，这里主要讲解RS-232标准，RS-232标准主要规定了信号的用途、通讯接口以及信号的电平标准。

使用RS-232标准的串口设备间常见的通讯结构见下图：
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在上面的通讯方式中，两个通讯设备的“DB9接口”之间通过串口信号线建立起连接，串口信号线中使用“RS-232标准”传输数据信号。由于RS-232电平标准的信号不能直接被控制器直接识别，所以这些信号会经过一个“电平转换芯片”转换成控制器能识别的“TTL标准”的电平信号，才能实现通讯。

① 电平标准
根据通讯使用的电平标准不同，串口通讯可分为TTL标准及RS-232标准，见下表
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知道常见的电子电路中常使用TTL的电平标准，理想状态下，使用5V表示二进制逻辑1，使用0V表示逻辑0；而为了增加串口通讯的远距离传输及抗干扰能力， RS-232使用-15V表示逻辑1，+15V表示逻辑0。使用RS232与TTL电平校准表示同一个信号时的对比见下图
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因为控制器一般使用TTL电平标准，所以常常会使用MA3232芯片对TTL及RS-232电平的信号进行互相转换。

② RS-232信号线
在最初的应用中，RS-232串口标准常用于计算机、路由与调制调解器(MODEN，俗称“猫”)之间的通讯，在这种通讯系统中，设备被分为数据终端设备DTE(计算机、路由)和数据通讯设备DCE(调制调解器)。以这种通讯模型讲解它们的信号线连接方式及各个信号线的作用。

在旧式的台式计算机中一般会有RS-232标准的COM口(也称DB9接口)，见下图
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其中接线口以针式引出信号线的称为公头，以孔式引出信号线的称为母头。在计算机中一般引出公头接口，而在调制调解器设备中引出的一般为母头，使用上图中的串口线即可把它与计算机连接起来。通讯时，串口线中传输的信号就是使用前面讲解的RS-232标准调制的。

在这种应用场合下，DB9接口中的公头及母头的各个引脚的标准信号线接法见下图

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由于两个通讯设备之间的收发信号(RXD与TXD)应交叉相连，所以调制调解器端的DB9母头的收发信号接法一般与公头的相反，两个设备之间连接时，只要使用“直通型”的串口线连接起来即可，见下图
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串口线中的RTS、CTS、DSR、DTR及DCD信号，使用逻辑 1表示信号有效，逻辑0表示信号无效。例如，当计算机端控制DTR信号线表示为逻辑1时，它是为了告知远端的调制调解器，本机已准备好接收数据，0则表示还没准备就绪。

在目前的其它工业控制使用的串口通讯中，一般只使用RXD、TXD以及GND三条信号线，直接传输数据信号，而RTS、CTS、DSR、DTR及DCD信号都被裁剪掉了。

2. 协议层

串口通讯的数据包由发送设备通过自身的TXD接口传输到接收设备的RXD接口。在串口通讯的协议层中，规定了数据包的内容，它由启始位、主体数据、校验位以及停止位组成，通讯双方的数据包格式要约定一致才能正常收发数据，其组成见下图
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① 波特率
这里主要讲解的是串口异步通讯，异步通讯中由于没有时钟信号(如前面讲解的DB9接口中是没有时钟信号的)，所以两个通讯设备之间需要约定好波特率，即每个码元的长度，以便对信号进行解码，上图中用虚线分开的每一格就是代表一个码元。常见的波特率为4800、9600、115200等。

② 通讯的起始和停止信号
串口通讯的一个数据包从起始信号开始，直到停止信号结束。数据包的起始信号由一个逻辑0的数据位表示，而数据包的停止信号可由0.5、1、1.5或2个逻辑1的数据位表示，只要双方约定一致即可。

③ 有效数据
在数据包的起始位之后紧接着的就是要传输的主体数据内容，也称为有效数据，有效数据的长度常被约定为5、6、7或8位长。

④ 数据校验
在有效数据之后，有一个可选的数据校验位。由于数据通信相对更容易受到外部干扰导致传输数据出现偏差，可以在传输过程加上校验位来解决这个问题。校验方法有奇校验(odd)、偶校验(even)、0校验(space)、1校验(mark)以及无校验(noparity)。

奇校验要求有效数据和校验位中“1”的个数为奇数，比如一个8位长的有效数据为：01101001，此时总共有4个“1”，为达到奇校验效果，校验位为“1”，最后传输的数据将是8位的有效数据加上1位的校验位总共9位。

偶校验与奇校验要求刚好相反，要求帧数据和校验位中“1”的个数为偶数，比如数据帧：11001010，此时数据帧“1”的个数为4个，所以偶校验位为“0”。

0校验是不管有效数据中的内容是什么，校验位总为“0”，1校验是校验位总为“1”。

二、SCI 简介

SCI（Serial Communications Interface），意为串行通信接口，是相对与并行通信的概念，是串行通信技术的一种总称，包括了UART，SPI等串行通信技术。 RA6M5 的SCI模块是一个有10个通道的异步/同步串行接口，RA4M2 有6个通道，RA2L1 有5个通道。

SCI 模块包含如下功能（根据具体型号有所不同）：

UART
8位时钟同步接口
简易IIC（只能用作主机）
简易SPI
智能卡接口（符合ISO/IEC 7816-3国际标准）
曼彻斯特接口
增强的串行接口

另外，RA6M5 的 SCI0、SCI3~SCI9 有独立的FIFO缓冲区； RA4M2 的 SCI0、SCI3、SCI4、SCI9 有独立的FIFO缓冲区； RA2L1 仅 SCI0 有独立的FIFO缓冲区。

三、SCI的结构框图

SCI的结构框图如下图所示
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1. 功能引脚
见图中标注 ① 处。

① RXDn/SCLn/MISOn：

RXDn：UART接收数据输入。
SCLn：I2C时钟信号输入或输出。
MISOn：SPI主机信号输入，从机信号输出。

② TXDn/SDAn/MOSIn：

TXDn：UART发送数据输出。
SDAn：I2C数据输入或输出。
MOSIn：SPI从机信号输入，主机信号输出。

③ SSn/CTSn_RTSn：

SSn：片选信号输入，低电平有效。
CTSn_RTSn：清除以发送（Clear to Send）或请求以发送（Request to Send）。低电平有效。如果使能RTS流控制，当UART接收器准备好接收新数据时就会将RTS变成低电平；当接收寄存器已满时，RTS将被设置为高电平。如果使能CTS流控制，发送器在发送下一帧数据之前会检测CTS引脚，如果为低电平，表示可以发送数据，如果为高电平则在发送完当前数据帧之后停止发送，该引脚只适用于硬件流控制。

④ CTSn (n = 0, 3 to 9)： 清除以发送(Clear to Send),适用于硬件流控制。

⑤ SCKn： 时钟输出或输入引脚，适用于同步通信。

2. 发送和接收控制
见图中标注 ② 处。

通信模式和通信参数设置。
FIFO模式设置。
波特率生成器的时钟输入选择。

3. 数据寄存器和移位寄存器
见图中标注 ③ 处。

RSR接收移位寄存器将RXDn引脚接收到的串行数据转为并行数据。当接收到一帧数据，数据会被自动传入RDR/RDRHL或FRDRHL寄存器（在FIFO模式下），并允许RSR继续接收更多数据，CPU无法直接访问RSR。
TSR传输移位寄存器用于传输串行数据。要进行数据传输，SCI首先自动将数据从TDR/TDRHL或FTDRHL寄存器（在FIFO模式下）传入到TSR中，然后将数据发送到TXDn引脚，CPU无法直接访问TSR。

4. 波特率发生器
见图中标注 ④ 处。

用于控制波特率，具体由BRR（Bit Rate Rigister），MDDR（Modulation Duty Register）和SMR（Serial Mode Register）寄存器控制。 SMR在这里对波特率生成器的输入时钟进行选择，可以选择PCLK，PCLK/4，PCLK/16，PCLK/64，即PCLK/4n（n=0-3）。

四、UART波特率计算

决定串口波特率的寄存器有BRR（Bite Rate Rigister），SEMR（Serial Extended Mode Rigister）和MDDR（Modulation Duty Register）。波特率与寄存器的值的公式如下图所示。N表示BRR寄存器的值，B是波特率，PCLK是外设时钟的频率（单位：MHz）。 BGDM（Baud Rate Generator Double-Speed Mode Select）在RA6M5中， SCI挂载在PHBIU（Peripheral High Speed Bus Interface Unit）总线上，使用时钟PCLKA，该时钟默认频率为100MHz。
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由于N存放的是整数，故只能将公式计算出来的值进行四舍五入，这样肯定会存在误差（Error）。例如，要配置当前波特率为115200bps。当PCLK=100MHz，BGDM=0，ABCS=0,ABCSE=0，n=1，按照上图公式，当前N为：

由于N是四舍五入取得的，故Error有可能是负数，因此这里取绝对值。

大多数时候会有多组参数符合波特率要求，由于误差越大，收发出错的可能性越大，虽然可以用奇偶校验避免这个问题，但奇偶校验无法解决丢包问题，因此一般会选择误差最小的那组参数。例如：同样是要求波特率为115200bps，但此时BGDM=1，ABCS=0，ABCSE=0，n=0，则此时的N为：
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很明显这组参数的误差0.47%要小于上一组参数的3.12%，因此会选择这一组参数。

因为可选参数有很多组，所以需要遍历所有可选的参数组合来寻找误差小的那组参数，毫无疑问的对用户来说是相当繁琐的。瑞萨官方当然也想到了这一点，因此读者在实际开发的过程中，可以直接使用FSP库的R_SCI_UART_BaudCalculate函数来计算出适当的参数组。在通过Smart Configuration配置串口的时候，Smart Configuration也会将适当的参数组计算出来，存放到hal_data.c当中，用户可以直接调用。

如果需要更小的误差，则需要在SEMR的BRME位（Bit Rate Modulation Enable）写1，使能比特率调制功能。此时波特率和寄存器之间的公式见下图。
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该公式与未使用比特率调制功能时的公式大同小异，不管是BRR setting还是Error，都只是在分母添加了个系数（256/M）， M是8位寄存器MDDR的值，取值范围(128~256)，这极大的降低了波特率的误差。例如：

同样是要求波特率为115200bps，但此时BGDM=1，ABCS=0，ABCSE=0，n=0，M=184，则此时N为：
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对比未使用波特率调制器时误差为0.47%，使用后为0.014%，误差降低到了原来的3%，效果可以说是相当的好，但是寻找效果最佳的M的值也是很繁琐的。读者只需调用FSP库的R_SCI_UART_BaudCalculate函数，就能找到最适合的参数组。