1、電子通信的基本概念

1.1、同步通信和異步通信

1.同步通信：通信雙方有統一的工作節拍，一般需要發送方給接收方發送信息的同時發送時鐘信號，接收方根據發送方給它的時鐘信號來安排自己的工作節奏。同步通信用在通信雙方信息交換頻率固定，或者通信頻率比較高的場景。
2.異步通信：又叫異步通知，簡單來說就是發送方不必考慮接收方，想發信息就發信息，沒有固定的工作節拍。但是需要遵循一定的通信協議，比如發送方發送信息時，需要先發起始位通知接收方，然后發送數據，數據發送完成要發結束位表示一幀數據發送完成。
區別：
(1)同步通信有統一工作節拍，異步通信沒有統一工作節拍。一般來說，同步通信的連接線里有一根是時鐘信號線。
(2)同步通信適合通信頻率固定或者通信頻率較高的場景；異步通信適合通信頻率不固定或者通信頻率較低的場景。

1.2、電平信號和差分信號

1.電平信號：電平信號有一根是參考電平線，信號線的信號值有信號線和參考電平線之間的電壓差決定；
2.差分信號：差分信號沒有參考電平線，傳輸一路數據需要兩根信號線，信號線的信號值由兩根信號線的電壓差決定。
區別：
(1)信號值的表示不同：電平信號的信號值是信號線和參考電平線的電壓差決定；差分信號的信息值是由兩條信號線的電壓差決定；
(2)傳輸相同路數的信號，電平信號用的數據線根數比差分信號少。比如傳輸3路信號，電平信號需要1根參考電平+3根數據線；而差分信號需要2x3=6根數據線；
(3)現在通信大部分是差分信號，因為差分信號的抗干擾性更強，可以在更短的周期傳輸一個數據。

1.3、并行接口和串行接口

并行接口：一次可以發送過個bit位數據。
串行接口：一次只能發送一個bit位數據。
區別:
(1)并行接口和串行接口一次發送的bit位不相同，串行一次只能發一個bit數據，并行接口可以一次發多位bit數據；
(2)并行接口的抗干擾性比串行接口差，雖然并行接口一次發送的數據位比串行接口多，但是因為抗干擾性差的原因，并行接口的發送頻率不能很高，串行接口的通信速率是可能比并行接口更快的；
(3)串行接口比并行接口更省信號線；

1.4、單工通信、雙工通信、半雙共通信

單工通信：只能單向發送消息，只能A向B發消息，B不能向A發消息；
雙工通信：A和B可以互相發消息，并且互不排斥，可以同時給對方發消息；
半雙工通信：A和B可以互相發消息，但是同一時間只能一方發消息，另一方收消息，算是單工通信和雙工通信的結合體；

2、串口通信介紹

2.1、串口通信的特點

串口通信：異步、電平信號、串行、雙工。
異步：串口的接收方和發送方沒有統一的時鐘信號；
電平信號：串口通信出現比較早，傳輸的距離比較近，所有用的電平信號。后期出現的通信協議，都改成了差分信號；
串行：每次只能傳輸一個二進制位；
雙工：通信雙方可以同時接收和發送信號。

2.2、波特率

指的就是串口的通信速率，也就是串口每秒能傳輸多少個二進制位。比如常用的波特率115200，也就是指串口每秒發送115200個二進制位。接收和發送必須使用相同的波特率，不然會通信紊亂，導致不能正常收發數據。

2.3、起始位、數據位、奇偶校驗位、停止位

(1)起始位：接收方收到該數據位就表示發送方馬上要發送數據了；
(2)數據位：本次傳輸周期里要傳輸的有效數據，可配置；
(3)奇偶校驗位：防止數據出錯的，可配置；
(4)停止位：表示本次傳輸周期結束，可配置；
總結：串口通信時，是以周期為單位進行收發數據的，既然是周期性的收發數據，那就要規定好周期的開啟和結束，也就是要提前商量好通信協議，上面的位定義就是通信
協議，在建立串口通信時要收發雙方配置一致；

2.4、通信線：Rx、Tx、GND

(1)Rx、Tx、GND是串口的通信線，Rx是接收數據的信號線，Tx是發送數據的信號線，GND是參考電平線，串口是全雙工通信；
(2)通信線的解法：發送方Rx–接收方Tx、發送方Tx–接收方Rx、發送方GND–接收方GND。

2.5、DB9接口、USB轉串口、4腳接口

(1)DB9接口：串口通信早期比較常用的規范化接口，有9根線，其中就包括Rx、Tx、GND，其余的6根線和流控有關。現在的串口通信一般都沒有
用流控，所以這6根線基本沒用，現在筆記本電腦上已經沒有DB9接口；
(2)4腳接口：現在的嵌入式設備上大多也沒有DB9接口，但是會引出來一個4腳的串口來輸出信息，方便調試。4腳串口就是在原來Rx、Tx、GND的基礎上，多了一根電源正極線。4腳的串口通常會會通過一個電路板來轉成DB9接口來對外通信；
(3)USB轉串口：現在的電腦可能沒有DB9接口，所以要使用USB轉串口線來連接開發板；

2.6、自動流控（AFC：Auto flow control）

自動流控和串口安全通信有關的，因為串口在早期是作為設備間數據交互的通路，必須確保通信數據的正確性。但是在現在串口大多作為打印信息輸出，并且通信速度也不快，就取消了自動流控。自動流控的細節就不講了，反正現在也用不上，在建立串口通信時記得把自動流控取消掉，就是不要勾選RTS/CTS。

3、串口工作原理框圖

(1)時鐘總線：串口屬于低速外設，掛載在PCLK_PSYS(Peripheral BUS)時鐘線上；
(2)組成：控制單元(control unit)、波特率發生器(Buad-rate Generator)、發送緩沖寄存器(Transmit Buffer Register)、發送移位器(Transmit Shifter)、
接收緩沖寄存器(Receive Buffer Register)、接收移位器(Receive Register)；
(3)控制單元:控制整個串口的通信過程，什么時候發數據，什么時候收數據；
(4)波特率發生器：產生串口通信需要的波特率,和時鐘頻率有關，需要配置；
(5)發送緩沖寄存器：把要發送的數據寫到發送緩沖寄存器；
(6)發送移位器：把發送緩沖寄存器里的數據一位一位的發送到數據線上，這是硬件自動的；
(7)接收緩沖寄存器：保存接收到的數據；
(8)接收移位器：把數據線上接收到的數據一位一位的寫到接收緩沖寄存器里；

4、串行通信模式

4.1、FIFO模式

普通模式下串口只有一個發送緩沖寄存器和一個接收緩沖寄存器，CPU要不斷切換上下文去處理串口通信，這會導致效率低下，浪費CPU的性能。FIFO模式就是擴大緩沖寄存器的數量，從一個寄存器擴大到64個寄存器。這樣以前要一個字節處理一次串口通信變成64個字節才處理一次串口通信，
降低了CPU處理串口通信的頻率。這只是在一定程度上解決，當有大量數據要發送時FIFO模式還是不能滿足需求，于是就有了DMA模式。(每個串口的FIFO模式擴充的緩沖寄存器數量可能是不同的，有256、64、16，具體看數據手冊說明)
補充：
(1)FIFO(First In First Out)其實是一種數據結構的名字，數據按照先進先出的原則進行處理。叫FIFO模式是因為擴大的緩沖區類似FIFO這種數據結構，也是先進先出；
(2)FIFO模式在策略上就不能解決大量數據通信，因為不能無限的擴大緩沖寄存器的數量，在CPU中寄存器是有限且珍貴的；

4.2、DMA模式

DMA(direct memory access)模式是為了解決串口大量數據傳輸的，DMA模式下緩沖區不再是寄存器，而是劃定一塊內存用作緩沖區，這樣CPU就不用再頻繁去處理串口通信。

4.3、IrDA模式

(1)IrDA(Infrared)就是紅外線通信，電視機、空調的遙控器就是紅外線通信。紅外通信是發送方固定間隔向接收方發送紅外信號，這和串口通信是類似的，所以可以用串口通信來實現紅外通信；
(2)不是每個串口都支持IrDA模式，具體要查數據手冊；并且需要外部硬件支持，至少你得有一個紅外線的發送、模塊吧。

5、串行通信工作模式：輪詢模式、中斷模式

(1)輪詢方式：:CPU不斷去查詢串口控制器的狀態位，當緩沖區空/滿時就去填充/獲取數據。這樣比較耗費CPU性能，但是程序簡單。
(2)中斷模式：當緩沖區空/滿時串口控制器會發出中斷信號，通知CPU去處理串口緩沖區的數據。這樣會降低CPU處理串口的頻率，但是需要用到終端，程序要復雜些。
總結：兩種方式各有優劣，串口通信是異步的，更契合中斷模式，但是輪詢方式勝在簡單。在uboot階段的串口通信時，我所接觸到的就是使用的輪詢模式，因為當uboot
進入到shell界面時，uboot就等著接受指令，CPU也不著急做其他的事情，浪費CPU性能也無所謂。

6、串行控制器的時鐘框圖

右邊虛線框里是UART的時鐘框圖，主要包括Clock_Selection、UCLK_Generator、Clock_Selection：可以通過UCON寄存器的10bit位選擇時鐘來源；UCLK_Generator:對上一步的時鐘源進行分頻，產生合適的波特率；分頻系數需要根據時鐘頻率和波特率進行計算，將計算好的分頻系數填到UBDIV和UDIVSLOT寄存器中。

7、串行通信的配置寄存器

7.1、ULCONn

配置校驗位、數據位、停止位、決定是否用IrDA模式。

7.2、UCONn寄存器

選擇是輪詢模式還是中斷模式、選擇時鐘來源

7.3、UMCONn寄存器

禁止modem、afc

7.4、UFCONn寄存器

FIFO模式的相關配置

7.5、UBRDIVn寄存器

UBRDIV寄存器的bit0-bit15保存的是串口時鐘的分頻系數整數部分；

7.6、UDIVSLOTn寄存器

UDIVSLOT寄存器的bit0-bit15保存的分頻系數的小數部分，但不是直接將小數部分寫入，而是要查表來確認寫入的值。

7.7、UTXHn寄存器

將要發送的數據寫到該寄存器；

7.8、URXHn寄存器

接收到的數據會保存到該寄存器；

8.1、波特率計算

(1) 分頻系數的計算公式：DIV_VAL = (PCLK / (bps x 16)) -1；
(2) 串口的時鐘來源是PCLOCK_PSYS=66MHZ，如果要將波特率設置成115200，根據上面的公式可得，DIV_VAL=(66000000/(115200x16)-1)=34.8;
(3) 于是UBRDIVn的值是34，小數部分是0.8，要根據小數來計算UDIVSLOTn的值；

8.2、UDIVSLOTn值計算

(1)UDIVSLOTn中的值滿足關系：UDIVSLOTn中1的個數除以16等于上面計算出的DIV_VAL的小數部分值。
(2)上面計算得小數部分是0.8，于是UDIVSLOTn中1的個數為0.8*16=12(向下取整)，查表可知UDIVSLOTn應該填0XDDDD；
(3)按照上面的計算公式，只要知道UBRDIVn中有幾個1，UBRDIVn的值在滿足條件的情況下是任意的，但是實際卻是固定的，需要查表來轉換。這是因為這里計算分頻系數不是純數學計算，是要依賴具體的物理器件，物理器件有自己的物理特性，芯片開發工程師很了解，在表格里給了建議值，我們查表即可。

總結

以上是生活随笔為你收集整理的ARM芯片（S5PV210芯片）——串口通信详解的全部內容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

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