SOC外设接口之UART

UART：Universal Asynchronous Receiver/Transmitter 通用异步收发传输器
通用，体现在其被广泛使用上，几乎所有的SOC中都集成了UART外设接口；
异步，表明通信双方不使用共享时钟信号，而通过约定的波特率来保持同步；
收发，说明它同时具备数据发送和数据接收两个方向的能力。
同步通信（Synchronous）在数据传输的双方之间有一条专用的公共时钟线，发送方根据时钟脉冲将数据送出，接收方在时钟脉冲的边沿（上升沿或下降沿）对数据进行采样。同步通信可以发送连续的数据流而不需要额外多余的位，时序简单可靠，可以达到很高的速率。SPI、IIC就是同步串行通信的典型代表。
异步通信（Asynchronous）则没有公共时钟线。收发双方各自拥有独立的时钟源，按照事先约定好的传输速率（即波特率），使用各自的时钟来发送和采样数据。由于没有时钟线，接收方必须依靠数据本身的特征来判断一帧数据何时开始、何时结束——这就引出了UART协议中起始位和停止位的设计。
波特率用于描述通信时的数据传输速度，其定义为：每秒传输的码元Symbol数量，单位是波特（Baud）
在UART通信中，每个码元恰好对应一个二进制位（一个码元只有高/低电平两种状态，即一个bit的信息），所以波特率在数值上等于比特率（Bit Rate），单位可以写成bps（bits per second）。
UART帧格式

1、空闲状态
UART不传输数据时，总线保持高电平，称之为空闲状态，数据帧开始前处于空闲状态，结束后也会回到空闲状态。UART空闲状态为高电平，是为了：
兼容RS232传统标准；
方便识别断线、掉电故障；
用高→低跳变作为清晰的起始位标志。
2、起始位
起始位固定为1bit，固定为低电平，不可配置。当发送方要开始发送一帧数据时，它将Tx线从高电平拉低到低电平，并保持1bit的时间。这个1bit时长的低电平就是起始位。起始位用于通知接收方马上会发新的一帧数据。当接收方检测到Rx线从高到低的跳变时，它就知道对方要开始发送数据了，于是按照约定的波特率，在恰当的时刻去采样后续的每一个比特。
3、数据位
紧跟在起始位之后的就是实际要传输的数据位。数据位的长度可以选5~8 bit，最常用的是8bit，有些实现还支持9bit，用于指示是否为地址帧（也可以有其他用法）。数据位的发送采用LSB First，即LSB最先发送，MSB最后发送。
4、校验位
UART数据帧可以选择有校验位或无校验位，如果有则占1bit。校验位位于数据位之后、停止位之前，用于检测数据的正确性，但是不能纠错，可以配置为以下几种模式：
无校验：None，不发送校验位，帧中没有这一段，这是最常用的配置；
偶校验：Even Parity，整个数据位加上校验位中"1"的个数为偶数；
奇校验：Odd Parity，整个数据位加上校验位中"1"的个数为奇数。
举例说明偶校验：发送数据 0x35（'b00110101），其中"1"有4个，已经是偶数，所以校验位为0。发送数据 0x37（'b00110111），其中"1"有5个，是奇数，为了凑成偶数，校验位须为1。
5、停止位
停止位可以配置为 1 / 1.5 / 2 bit，最常用的是1bit。数据位（和可选的校验位）发送完毕后，发送方将Tx线拉回高电平，并保持至少1bit时间，这就是停止位。停止位的作用有两个：标志一帧数据的结束；为接收方提供重新同步的机会。停止位之后，线路回到空闲状态，它给接收方提供了处理已接收数据的短暂缓冲时间，并且接收方可以准备接收下一帧的起始位。
UART物理连接
UART协议在最简化的应用中只需要TX和RX两根数据线。但在完整的RS-232串行通信标准中，UART接口定义了多达8根信号线，它们各自承担不同的职责。
1、数据信号线
TXD（Transmit Data，发送数据线）
UART模块内部的发送移位寄存器（Transmit Shift Register）将并行数据逐位移出，形成符合UART帧格式的串行比特流，通过TXD送出。
RXD（Receive Data，接收数据线）
UART模块内部的接收移位寄存器（Receive Shift Register）持续监测RXD的电平变化。当检测到起始位的下降沿时，接收逻辑被触发，开始按照预设的波特率对后续的比特进行采样，逐位移入移位寄存器，最终拼装成一个完整的字节数据送入接收FIFO。
2、硬件流控信号线
当通信双方的数据处理速度不对等时，比如发送方持续高速发送，但接收方因为在处理中断、执行耗时任务或FIFO快满了而来不及取走数据——就会发生数据溢出，导致数据丢失。硬件流控就是用来解决这个问题的机制。
RTSn（Request To Send，请求发送）
RTS是接收方输出给发送方的信号，末尾的n表示这是一个低电平有效信号：RTS=低电平（有效）：接收缓冲区空间充裕，可以发数据过来；RTS=高电平（无效）：接收缓冲区空间不足，请停止发送；硬件实现中，当UART接收FIFO中的数据量超过了预设的阈值，硬件会自动将RTS拉高，通知对方停止发送。当FIFO中数据被读走、水线降到阈值以下后，硬件又自动将RTS拉低，通知对方可以继续发送。整个过程不需要软件干预，这就是"硬件流控"这个名字的由来。
CTSn（Clear To Send，清除发送）
CTS是RTS的对端信号，是硬件用来判断自己能不能继续发送的依据：CTS=低电平（有效）：对方告诉我可以发送；CTS=高电平（无效）：对方要求我停止发送；硬件实现中，当UART发送器检测到CTS为高电平时，即使发送FIFO中还有待发送的数据，发送器也会暂停发送。等CTS变为低电平后，发送器自动恢复发送。设备A的RTS连接到设备B的CTS，设备B的RTS连接到设备A的CTS，任何一方都可以通过拉高自己的RTS来通知对方暂停发送，对方的CTS检测到这个变化后就会暂停其发送器。
3、调制解调器控制信号
DTRn（Data Terminal Ready，数据终端就绪）
DTR是DTE设备（如计算机）用来告知对方已经上电并准备好通信了的信号：DTR=低电平（有效）：终端已上电并初始化完毕，告知Modem可以通信；DTR=高电平（无效）：终端尚未就绪或已关闭；
DSRn（Data Set Ready，数据设备就绪）
DSR是DTR的握手信号，是通信设备（如调制解调器）告知终端已经准备就绪：DSR=低电平（有效）：调制解调器已经上电并准备好工作了；DSR=高电平（无效）：调制解调器尚未就绪DTR与DSR构成一对双向握手：终端通过DTR说"我好了"，调制解调器通过DSR说"我也好了"。双方都就绪后，才能开始真正的数据通信。
DCDn（Data Carrier Detect，载波检测）
DCD是调制解调器专用信号，用来告知终端"电话线路上已经检测到对方调制解调器的载波信号，物理链路已建立：DCD=低电平（有效）：载波已检测到，链路已建立，可以传输数据了；DCD=高电平（无效）：未检测到载波，链路中断；
RIn（Ring Indicator，振铃指示）
RI用来告知终端电话线路上检测到振铃信号（来电）：RI=低电平（有效）：有来电，电话正在响；RI=高电平（无效）：没有来电。
TTL电平
TTL是一个电气标准，用0V表示逻辑0，用3.3V或5V表示逻辑1。芯片引脚上直接输出的UART信号通常就是TTL电平。
UART是串行通信协议，其定义的是数据帧的格式和时序逻辑（协议层面），而TTL、RS232、RS485定义的是电压高低的物理标准（电气层面）。 UART信号要传输到外部世界，必须选择一种电气标准。直接从芯片引脚出来的UART信号是TTL电平；如果要通过RS232传输，需要加一颗电平转换芯片（如MAX3232）；如果要通过RS485传输，需要加RS485收发器芯片。
RS232
RS232是最早的基于UART通信协议的电气标准，用+3V_{+15V表示逻辑0，用-3V}-15V表示逻辑1。同时RS232定义了物理接口标准，使用DB9接口。RS232抗干扰能力较差，传输距离短，它的优势在于支持全双工通信，适用于两个设备之间的直接、低速数据交换。
RS485
RS485也是电气标准，区别在于其使用差分信号，用两线间的电压差为+2V_{+6V表示逻辑0，用电压差为-2V}-6V表示逻辑1。由于信号电平比RS232降低了，就不易损坏接口电路的芯片，且该电平与TTL电平兼容，可方便与TTL 电路连接。差分信号的使用也使其抗干扰能力更强，传输距离更远，并且支持多设备挂载在同一总线上。RS485并未规定物理接口标准，可以根据工程的实际情况选择。

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