UART硬件介绍 --- (一)

文章代码分析基于linux-5.19.13，架构基于aarch64（ARM64）。

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。

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

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;

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；
    

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。
(1) 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。


(2) 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. 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。

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。

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：

（1）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。
（2）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。