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一.通信领域基础知识介绍
1.1 串行和并行通信
1.2 同步和异步传输
1.3 串口和COM口
1.4 通信协议标准以及物理层定义
1.5 物理层协议之TTL / RS-232 / RS-485
二.USART介绍
2.1 USART特点介绍
2.2 UART和TTL / RS-232 / RS-485
2.3 USART硬线流控介绍
2.4 USAR…目录
一.通信领域基础知识介绍
1.1 串行和并行通信
1.2 同步和异步传输
1.3 串口和COM口
1.4 通信协议标准以及物理层定义
1.5 物理层协议之TTL / RS-232 / RS-485
二.USART介绍
2.1 USART特点介绍
2.2 UART和TTL / RS-232 / RS-485
2.3 USART硬线流控介绍
2.4 USART帧格式介绍
2.5 USART对比其他总线
三.USART工程配置及使用
3.1 USART数据传输方式配置说明
3.2 USART中断配置配置说明
3.2.1 USART常用中断
3.2.2 USART中断配置实战说明
3.2.3 DMA常用中断
3.2.4 DMA中断配置实战说明
四.USART异步模式同步机制介绍 一.通信领域基础知识介绍
介绍USART之前我们需要先了解一些通信协议领域的通用知识。
1.1 串行和并行通信
串行串行接口的基本传输单位是1位即每次只能传输一个bit通过协议组合成帧进行传输并行一次性可以传输多个位理论上每个位需要一条独立线束 1.2 同步和异步传输
Synchronous / Asynchronous 同步/异步通信层面的异步/同步概念与软件层面不同
软件层面 同步处理同步调用意味着调用方主动等待并立即获得结果。异步处理异步调用意味着调用方发起请求后立即返回结果通过事件、回调或轮询等方式在后续通知。 通信层面 同步通信通信双方使用同一根时钟线来控制通信理论上有时钟线的情况下双方的节奏是一致的因此称为同步。异步通信双方互相不知道对方时钟频率通过一些设计来规避双方的时钟不一致问题。 1.3 串口和COM口
串口Serial Port通用称呼是一个广义概念严格来说所以串行通道都可以称之为串口包括USB。但是在嵌入式MCU领域一般说起串口都是默认指的USART的异步模式。COMCOM代表计算机中的逻辑串口设备名称(如COM1, COM2)是电脑对串口的抽象。电脑上的COM口一般就是通过USART实现的。 1.4 通信协议标准以及物理层定义
按照目前国际标准一般将通信协议划分为5层实际上广泛使用的标准或者7层ISO推荐协议。按照从底层到上层分为
物理层数据链路层传输层网络层会话层表示层应用层
其中物理层定义了以下内容
特性类别定义说明过程特性比特在时间轴上的传输方式如同步/异步、采样点、位时序硬件特性接口芯片、收发器、电路驱动能力、端口数量机械特性物理连接器、针脚排列、接口规格电气特性电压电平范围、电流驱动、抗干扰能力、差分/单端方式功能特性通道容量、点对点/多点拓扑、误码率、最大距离 1.5 物理层协议之TTL / RS-232 / RS-485
这三者都是物理层定义规定了通信物理层定义
概念简要说明电气特性 TTL(Transistor-Transistor Logic) 原生电平 逻辑13.3V 或 5V逻辑0为0V。 RS232 电压转换逻辑1-3V 到 -15V逻辑03V 到 15V。 RS485 电压转换差分电平 逻辑 1B线电压比A线电压高典型差值 200mV。 逻辑 0A线电压比B线电压高典型差值 200mV。 其共模电压范围通常为 -7V 到 12V 二.USART介绍
2.1 USART特点介绍
USART即Universal Synchronous / Asynchronous Receiver/Transmitter通用同步/异步收发器其特性如下
串行通信同步/异步传输支持同步传输USART同步模式以及异步传输USART异步模式物理层以及数据链路层协议只负责数据的转发不涉及应用逻辑。其物理层定义不完整因此需要搭配其他物理层协议使用如TTL、RS-232、RS-485线束数量不固定可选搭配如下 Tx/Rx数据传输线GND当通信双方不直接公地一般需要增加GND线作为参考电平以保持通信稳定性CTS/RTS流控线可选非标准协议定义内容用于控制通信双方的传输防止数据溢出或丢失CLKUSART可使用同步模式进行通信此时需要额外的时钟线
注意 USART的硬线流控CTS/RTC以及USART的同步传输模式在实际项目中很少使用因为这两者都会增加线束的数量、传输协议的复杂度。而USART最大的优点就是协议的简单以及线束数量少最少只需要两根。 2.2 UART和TTL / RS-232 / RS-485
USART的物理层定义并不完全如下
特性类别USART 覆盖情况缺失说明过程特性完整无缺失USART 定义了起始位、数据位、校验位、停止位但功能简单硬件特性缺失USART 本身不定义具体硬件需依赖 TTL/RS232/RS485 芯片机械特性缺失USART 不定义连接器规格实际由外部标准决定电气特性缺失USART 不规定电平和驱动能力需要 TTL/RS232/RS485 补充功能特性部分缺失USART 默认点对点最大速率/距离未标准化误码检测只有奇偶校
因此实际使用过中必须搭配一个物理层协议使用常用搭配如下
概念简要说明电气特性与USART的关系 TTL(Transistor-Transistor Logic) 原生电平 逻辑13.3V 或 5V逻辑0为0V。 MCU内部USART外设输出的就是TTL电平。 优点无需电平转换芯片硬件成本低 缺点抗干扰能力和传输距离比RS 232和RS 485差。 RS232 电压转换逻辑1-3V 到 -15V逻辑03V 到 15V。 用于USART通信时将原生TTL电平进行了电压转换。 优点RS 232的电压范围更广抗干扰更强。 缺点需要额外的电平转换芯片增加了硬件成本。 RS485 电压转换差分电平逻辑1-3V 到 -15V逻辑03V 到 15V。 用于USART通信时将原生TTL电平进行了电压转换并变成了差分电平。 优点因为使用差分电平抗干扰能力极强且传输距离得到大大提升。支持多点通信。 缺点需要额外的电平转换芯片以及线束且在车载电子领域和CAN定位重合且竞争
注意 在汽车电子领域RS-485的生态位主要被CAN占据其出场率较低。 2.3 USART硬线流控介绍
由于USART协议
CTSClear To Send和RTSRequire To Send不属于标准USART规定内容。本质上是通过硬线指示来完成流控效果示意如下
设备1设备2说明RTS(发)CTS(收)当设备2收到设备1的RTS通知一般是高电平到低电平跳变时代表设备1准备好接收数据了设备2此时可以发送数据CTS(收)RTS(发)当设备1收到设备2的RTS通知一般是高电平到低电平跳变时代表设备2准备好接收数据了设备1此时可以发送数据 2.4 USART帧格式介绍
参数说明开始位1 bit当USART数据传输线不传输数据时它通常保持在高电压电平。为了开始数据传输发送方将传输线从高电平拉至低电平一个时钟周期。当接收USART检测到高电压到低电压转换时它开始以波特率的频率读取数据帧中的位。 数据位 (Data Bits 8bit 或 9bit定义一帧有效数据数据位包含要传输的实际数据。在通常情况下数据首先以最低有效位发送并且长度使用8位。 停止位 (Stop Bits) 1至2bit为了通知传输数据包的结束USART发送端会将数据传输线驱动至高电压至少1到2位持续时间。 校验位 (Parity) 1bit可选保证数据完整性。奇偶校验位是接收USART在传输过程中判断是否有任何数据发生变化的一种方法。电磁辐射、不匹配的波特率或长距离传输时数据都有可能发生变化。接收USART读取数据帧后它会计算值为1的位数并检查总数是偶数还是奇数。如果奇偶校验位为0偶校验则数据帧中的1位应总计为偶数。如果奇偶校验位是1奇校验则数据帧中的1位应总计为奇数。当奇偶校验位与数据匹配时USART知道传输没有错误。 2.5 USART对比其他总线
总线使用场景通信距离线束数量通信方向 通信单 元数量 同步 异步 USART微控制和外部设备、模块之间、调试接口建议小于1.5mTxRxGND(可选)全双工1 对 1异步SPISerial Peripheral Interface主要用于嵌入式系统内主芯片与外围芯片之间的短距离、高速通信建议小于3m CS片选线选择和那个从模块通信 MOSI主模块给从模块发送数据 MISO从模块给主模块发送数据 CLK时钟线 全双工1(主)对N(从)同步IICInter-Integrated Circuit适用于连接微控制器和各种外部设备如温度传感器、EEPROM、实时时钟等使用两根线进行双向通信。 建议小于3m 数据传输线CLK 半双工 N(多主)对N(多从) 同步LINLocal Interconnect Network主要用于汽车电子系统中的低速通信如车门控制、座椅控制等。理论可达40mTx/Rx(共用一根) GND(可选)半双工1(主)对N(从)异步CANController Area Network广泛用于汽车、工业控制和其他分布式系统中具备高可靠性和抗干扰能力支持多个设备在同一总线上通信。理论可达40mCAN_HCAN_L半双工 N对N (不分主从) 异步
注意 传输速率一般来讲SPIIICUSARTCANLIN。SPI/IIC一般多用于片上通信USART多用于片上通信及调试接口CAN/LIN用于车辆间ECU远距离通信。USART 更偏向点对点、调试和简单设备通信其通信距离短和稳定性稍显不足使得它的竞争对手主要是SPI和IIC。 三.USART工程配置及使用
3.1 USART数据传输方式配置说明
属性说明波特率 波特率配置一般由多个寄存器来对时钟进行分频已达到更精准的频率控制。比如如下形式 波特率 所选定外设时钟频率 / (波特率整数部分 (波特率小数分子部分) / 波特率小数分母部分) 具体配置形式不固定只需要记住可能存在多个参数配置来控制精度就行本质上都是外设时钟 / 预分频值。 停止位需要指定停止位的长度可选范围是1bit / 1.5bit / 2bit部分芯片可能不支持1.5bit模式数据位定义 需要定义数据位是8位还是9位如果是9位还需要指定第9位的含义。不同芯片对于第9位的支持情况不一样这里按照最大组合情况介绍 第9位是ODD(偶)校验第9位是EVEN(奇)校验第9位发送的是地址此选项是给RS-485用的因为RS485支持多节点通信使用节点地址区分不同节点此时该位可用于判断是数据帧还是用来标识节点地址的地址帧第9位发送的是数据无第9位 传输次序(接收/发送) 选择大小端模式即接收/发送时是高Bit位(MSB)还是低Bit位(LSB) 传输模式 选择同步还是异步传输。 同步传输USART同步模式此时会有时钟线但是USART本身不是流水线搬运无法像SPI那样一根时钟线控制Tx和Rx。因此此模式下一般是半双工除非有两根时钟线或者芯片的USART驱动有特殊处理异步传输USART异步模式就是常说的全双工异步模式 时钟极性选择数据在时钟上升沿还是下降沿同步全双工异步模式不需要此配置。传输方向选择传输方向可以配置仅收或者仅发USART通道一般外设提供不止一组USART硬件通道需要选择使用哪一个硬件通道时钟源选择选择USART的时钟源为USART通信提供时钟参考基准以满足波特率要求传输类型 DMA中断 硬件流控 是否支持硬件流控可以配置只支持CTS或者RTS即单向流控 硬件FIFO模式是否启用硬件FIFO并配置深度 3.2 USART中断配置配置说明
3.2.1 USART常用中断
信号意义触发条件说明RXNE/RDR接收到新数据RX 寄存器中有未读取字节CPU读取数据寄存器防止覆盖。DMA场景不需要。TXE发送数据寄存器空TX 寄存器空可以写入新的待发送数据前面数据不一定发送完成 CPU 写入下一个字节DMA场景不需要 TC/TFE发送完成 前面一帧数据发送完成 标记发送结束释放缓冲区IDLE总线空闲接收线空闲一段时间通常是一帧位时间标记帧结束或数据终止ORE接收溢出RX 寄存器未及时读取错误处理NE噪声错误总线噪声导致接收错误错误处理FE帧错误停止位或字节长度错误错误处理PE奇偶校验错误奇偶位不匹配错误处理 3.2.2 USART中断配置实战说明
传输类型TXETCIDLERXNERS-485半双工 DMA不使用DMA直接判断数据必须使用用于通知CPU判断是否要切换传输方向必须使用一般不需要方向切换一般靠TC进行。RS-485半双工 非DMA推荐使用通知CPU填充发送数据理论上TXE会比TC触发早会更快一些。必须使用用于通知CPU判断是否要切换传输方向必须使用推荐使用用于判断是否需要切换方向普通传输 DMA不使用DMA直接判断数据必须使用TC在此模式下不再是字节级别通知而是传输单位的通知。这个传输单元取决于字长、传输计数、循环/块模式、DMA FIFO配置。必须使用一般不需要数据搬运由DMA进行普通传输 非DMA推荐使用通知CPU填充发送数据理论上TXE会比TC触发早会更快一些。不使用使用TXE发送数据更快必须使用必须使用因为没有DMA需要CPU自行处理数据 3.2.3 DMA常用中断
中断名称触发条件典型用途Transfer CompleteDMA 完成搬运CPU 处理已搬运完成数据或继续下一块搬运Half TransferDMA 完成缓冲区一半CPU 提前处理一半数据保持 RX 连续或平滑 TX 输出Transfer ErrorDMA 地址错误、FIFO 溢出、配置错误错误处理 3.2.4 DMA中断配置实战说明
USART错误类型中断依实际项目情况选择是否使能ORE、NE、FE、PE推荐基于DMA传输对于高速或大数据量传输强烈推荐使用DMA以减轻CPU负担当不使用DMA时MCU只有1~2个停止位的反应时间并降低数据丢失风险。对于低速简单应用可根据情况选择中断或轮询方式。USART中断配置建议 USART发送端 DMA传输完成中断半传输中断可选用于连续大数据流平滑发送 USART接收端 理论最优实现复杂设计不过关容易出问题比如中断嵌套 半传输中断防止数据溢出给CPU预留处理时间传输完成中断通知CPU全部处理完成USART IDLE中断用于检测帧结束或总线空闲防止数据量不够触发半传输中断。 项目中常用实现简单绝大部分场景够用 仅仅使用IDLE中断不使用DMA全传输和半传输中断。
DMA详细介绍点此【嵌入式原理系列-第七篇】DMA从原理到配置全解析 四.USART异步模式同步机制介绍
在异步模式下USART总线空闲时默认高电平。
发送方准备发送数据时假设数据位为8位不无奇偶校验位会将总线电平拉低一个位时间称为起始位起始位之后开始进行数据位的传输传输位传输完成后最后再将总线拉高一个位时间称之为结束位。
每次起始位接收方会进行一次位同步保证双方时序一致。通常USART异步模式下采样点位于位中间即0.5个bit处。
结合以上逻辑可知异步模式下双发双方的速率可以有差距但是必须保证速率差距在一定范围内。范围计算如下
如果发送方速率大于接收方速率1 发送方速率÷接收方速率 (11÷10.5)。即发送方速率不能比接收方快4.76%以上如果发送方速率大于接收方速率(10÷10.5) 发送方速率÷接收方速率 1。即发送方速率不能比接收方慢4.76%以上
总结8位数据位1位停止位无校验位情况下双方速率差应该小于4.76%。其他帧格式组合算法类似。 想了解更多嵌入式技术知识请点击阅读我的其他文章
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