Linux NXP （I.MX6uLL） UART串口通信原理

左手的ㄟ右手 2022-12-08 15:37 161阅读 0赞

### UART串口通信 ###

*  1、UART简介
 *   *  1.1、UART串口通讯格式
     *  1.2、UART 的通信格式：
     *  1.3、UART 电平标准
 *  2、I.MX6U UART 简介
 *   *  2.1、UART的时钟源选择
 *  3、UART 几个重要的寄存器
 *   *   *  3.1、UART 的控制寄存器 1，即UARTx\_UCR1(x=1~8)
     *  3.2、UART 的控制寄存器 2，即： UARTx\_UCR2
     *  3.3、UARTx\_UCR3 寄存器
     *  3.4、寄存器 UARTx\_USR2
     *  3.5、寄 存 器 UARTx\_UFCR 、 UARTx\_UBIR 和 UARTx\_UBMR
     *   *  3.5.1、寄 存 器UARTx\_UFCR

不管是单片机开发还是嵌入式 Linux 开发，串口都是最常用到的外设。可以通过串口将开  
发板与电脑相连，然后在电脑上通过串口调试助手来调试程序。还有很多的模块，比如蓝牙、  
GPS、 GPRS 等都使用的串口来与主控进行通信的，在嵌入式 Linux 中一般使用串口作为控制  
台，所以掌握串口是必备的技能。

# 1、UART简介 #

## 1.1、UART串口通讯格式 ##

串口全称叫做串行接口，通常也叫做 COM 接口，串行接口指的是数据一个一个的顺序传输，通信线路简单。使用两条线即可实现双向通信，一条用于发送，一条用于接收。串口通信距离远，但是速度相对会低，串口是一种很常用的工业接口。 I.MX6U 自带的 UART 外设就是串口的一种， UART 全称是 Universal Asynchronous Receiver/Trasmitter，也就是异步串行收发器。既然有异步串行收发器，那肯定也有同步串行收发器，学过 STM32 的同学应该知道， STM32除 了 有 UART 外 ，还有 另 外一 个 叫 做 USART 的 东 西。 USART 的全 称 是 UniversalSynchronous/Asynchronous Receiver/Transmitter，也就是同步/异步串行收发器。 相比 UART 多了一个同步的功能，在硬件上体现出来的就是多了一条时钟线。 一般 USART 是可以作为 UART使用的，也就是不使用其同步的功能。

UART 作为串口的一种，其工作原理也是将数据一位一位的进行传输，发送和接收各用一条线，因此通过 UART 接口与外界相连最少只需要三条线： TXD(发送)、RXD(接收) 和 GND(地线)。

## 1.2、UART 的通信格式： ##

![UART 的通信格式][UART]  
上图中的每个位的含义如下：

<table> 
 <thead> 
  <tr> 
   <th>位</th> 
   <th>含义</th> 
  </tr> 
 </thead> 
 <tbody> 
  <tr> 
   <td>空闲位</td> 
   <td>数据线在空闲状态的时候为逻辑“1”状态，也就是高电平，表示没有数据线空闲，没有数据传输。</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>起始位</td> 
   <td>当要传输数据的时候先传输一个逻辑“0”，也就是将数据线拉低，表示开始数据传输。</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>数据位</td> 
   <td>数据位就是实际要传输的数据，数据位数可选择 5~8 位，我们一般都是按照字节传输数据的，一个字节 8 位，因此数据位通常是 8 位的。低位在前，先传输，高位最后传输。</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>奇偶校验位</td> 
   <td>这是对数据中“1”的位数进行奇偶校验用的，可以不使用奇偶校验功能。</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>停止位</td> 
   <td>数据传输完成标志位，停止位的位数可以选择 1 位、 1.5 位或 2 位高电平，一般都选择 1 位停止位。</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>波特率</td> 
   <td>波特率就是 UART 数据传输的速率，也就是每秒传输的数据位数，一般选择 9600、19200、 115200 等。</td> 
  </tr> 
 </tbody> 
</table>

## 1.3、UART 电平标准 ##

UART 一般的接口电平有 TTL 和 RS-232，一般开发板上都有 TXD 和 RXD 这样的引脚，这些引脚低电平表示逻辑 0，高电平表示逻辑 1，这个就是 TTL 电平。 RS-232 采用差分线， -3~ -15V 表示逻辑 1， +3~+15V 表示逻辑 0。一般下图 中的接口就是 TTL 电平：  
![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3dlaXhpbl80NTMwOTkxNg_size_16_color_FFFFFF_t_70_pic_center]  
上图中的模块就是 USB 转 TTL 模块， TTL 接口部分有 VCC、 GND、 RXD、 TXD、RTS 和 CTS。 RTS 和 CTS 基本用不到，使用的时候通过杜邦线和其他模块的 TTL 接口相连即可。

RS-232 电平需要 DB9 接口， I.MX6U-ALPHA 开发板上的 COM3(UART3)口就是 RS-232 接口的，如下图所示：  
![在这里插入图片描述][20200920162827539.png_pic_center]  
由于现在的电脑都没有 DB9 接口了，取而代之的是 USB 接口，所以就催生出了很多 USB转串口 TTL 芯片，比如 CH340、PL2303 等。通过这些芯片就可以实现串口 TTL 转 USB。I.MX6UALPHA开发板就使用CH340 芯片来完成UART1 和电脑之间的连接，只需要一条USB 线即可，  
![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3dlaXhpbl80NTMwOTkxNg_size_16_color_FFFFFF_t_70_pic_center 1]

# 2、I.MX6U UART 简介 #

上面介绍了 UART 接口，下面具体看一下 I.MX6U 的 UART 接口， I.MX6U 一共有 8 个 UART，其主要特性如下：

*  ①、兼容 TIA/EIA-232F 标准，速度最高可到 5Mbit/S。
 *  ②、支持串行 IR 接口，兼容 IrDA，最高可到 115.2Kbit/s。
 *  ③、支持 9 位或者多节点模式(RS-485)。
 *  ④、 1 或 2 位停止位。
 *  ⑥、可编程的奇偶校验(奇校验和偶校验)。
 *  ⑦、自动波特率检测(最高支持 115.2Kbit/S)

## 2.1、UART的时钟源选择 ##

UART 的时钟源是由寄存器 CCM\_CSCDR1 的 UART\_CLK\_SEL(bit)位来选择的，当为 0 的时候 UART 的时钟源为 pll3\_80m(80MHz)，如果为 1 的时候 UART 的时钟源为 osc\_clk(24M)，一般选择 pll3\_80m 作为 UART 的时钟源。寄存器 CCM\_CSCDR1 的 UART\_CLK\_PODF(bit5:0)位是 UART 的时钟分频值，可设置 0~ 63，分别对应 1~64 分频，一般设置为 1 分频，因此最终进入 UART 的时钟为 80MHz

# 3、UART 几个重要的寄存器 #

### 3.1、UART 的控制寄存器 1，即UARTx\_UCR1(x=1~8) ###

![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3dlaXhpbl80NTMwOTkxNg_size_16_color_FFFFFF_t_70_pic_center 2]  
寄存器 UARTx\_UCR1 我们用到的重要位如下：

<table> 
 <thead> 
  <tr> 
   <th>重要位</th> 
   <th>含义</th> 
  </tr> 
 </thead> 
 <tbody> 
  <tr> 
   <td>ADBR(bit14)</td> 
   <td>自动波特率检测使能位，为 0 的时候关闭自动波特率检测，为 1 的时候使能自动波特率检测。</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>UARTEN(bit0)</td> 
   <td>UART 使能位，为 0 的时候关闭 UART，为 1 的时候使能 UART。</td> 
  </tr> 
 </tbody> 
</table>

## 3.2、UART 的控制寄存器 2，即： UARTx\_UCR2 ##

![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3dlaXhpbl80NTMwOTkxNg_size_16_color_FFFFFF_t_70_pic_center 3]  
寄存器 UARTx\_UCR2 用到的重要位如下：

<table> 
 <thead> 
  <tr> 
   <th>位</th> 
   <th>含义</th> 
  </tr> 
 </thead> 
 <tbody> 
  <tr> 
   <td>IRTS(bit14)</td> 
   <td>为 0 的时候使用 RTS 引脚功能，为 1 的时候忽略 RTS 引脚。</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>PREN(bit8)</td> 
   <td>奇偶校验使能位，为 0 的时候关闭奇偶校验，为 1 的时候使能奇偶校验。</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>PROE(bit7)</td> 
   <td>奇偶校验模式选择位，开启奇偶校验以后此位如果为 0 的话就使用偶校验，此位为 1 的话就使能奇校验。</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>STOP(bit6)</td> 
   <td>停止位数量，为 0 的话 1 位停止位，为 1 的话 2 位停止位。</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>WS(bit5)</td> 
   <td>数据位长度，为 0 的时候选择 7 位数据位，为 1 的时候选择 8 位数据位。</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>TXEN(bit2)</td> 
   <td>发送使能位，为 0 的时候关闭 UART 的发送功能，为 1 的时候打开 UART的发送功能。</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>RXEN(bit1)</td> 
   <td>接收使能位，为 0 的时候关闭 UART 的接收功能，为 1 的时候打开 UART的接收功能。</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>SRST(bit0)</td> 
   <td>软件复位，为 0 的是时候软件复位 UART，为 1 的时候表示复位完成。复位完成以后此位会自动置 1， 表示复位完成。此位只能写 0，写 1 会被忽略掉。</td> 
  </tr> 
 </tbody> 
</table>

## 3.3、UARTx\_UCR3 寄存器 ##

![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3dlaXhpbl80NTMwOTkxNg_size_16_color_FFFFFF_t_70_pic_center 4]  
寄存器 UARTx\_UCR3 用到的重要位如下：

<table> 
 <thead> 
  <tr> 
   <th>位</th> 
   <th>含义</th> 
  </tr> 
 </thead> 
 <tbody> 
  <tr> 
   <td>RXDMUXSEL(bit2)</td> 
   <td>这个位应该始终为 1</td> 
  </tr> 
 </tbody> 
</table>

## 3.4、寄存器 UARTx\_USR2 ##

![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3dlaXhpbl80NTMwOTkxNg_size_16_color_FFFFFF_t_70_pic_center 5]  
寄存器 UARTx\_USR2 用到的重要位如下：

<table> 
 <thead> 
  <tr> 
   <th>位</th> 
   <th>含义</th> 
  </tr> 
 </thead> 
 <tbody> 
  <tr> 
   <td>TXDC(bit3)</td> 
   <td>发送完成标志位，为 1 的时候表明发送缓冲(TxFIFO)和移位寄存器为空，也就是发送完成，向 TxFIFO 写入数据此位就会自动清零。</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>RDR(bit0)</td> 
   <td>数据接收标志位，为 1 的时候表明至少接收到一个数据，从寄存器UARTx_URXD 读取数据接收到的数据以后此为会自动清零</td> 
  </tr> 
 </tbody> 
</table>

## 3.5、寄 存 器 UARTx\_UFCR 、 UARTx\_UBIR 和 UARTx\_UBMR ##

通过这三个寄存器可以设置 UART 的波特率，波特率的计算公式如下：  
![在这里插入图片描述][20200920164445570.png_pic_center]

*  Ref Freq：经过分频以后进入 UART 的最终时钟频率。
 *  UBMR：寄存器 UARTx\_UBMR 中的值。
 *  UBIR：寄存器 UARTx\_UBIR 中的值。

通过 UARTx\_UFCR 的 RFDIV 位、 UARTx\_UBMR 和 UARTx\_UBIR 这三者的配合即可得到我们想要的波特率。比如现在要设置 UART 波特率为 115200，那么可以设置 RFDIV 为5(0b101)，也就是 1 分频，因此 Ref Freq=80MHz。设置 UBIR=71， UBMR=3124，根据上面的公式可以得到：

![在这里插入图片描述][20200920164640142.png_pic_center]  
最后来看一下寄存器 UARTx\_URXD 和 UARTx\_UTXD，这两个寄存器分别为 UART 的接收和发送数据寄存器，这两个寄存器的低八位为接收到的和要发送的数据。读取寄存器UARTx\_URXD 即可获取到接收到的数据，如果要通过 UART 发送数据，直接将数据写入到寄存器 UARTx\_UTXD 即可。

### 3.5.1、寄 存 器UARTx\_UFCR ###

寄 存 器UARTx\_UFCR中我们要用到的是位 RFDIV(bit9:7)，用来设置参考时钟分频，如下表：

<table> 
 <thead> 
  <tr> 
   <th>RFDIV(bit9:7)</th> 
   <th>分频值</th> 
  </tr> 
 </thead> 
 <tbody> 
  <tr> 
   <td>000</td> 
   <td>6 分频</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>001</td> 
   <td>5 分频</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>010</td> 
   <td>4 分频</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>011</td> 
   <td>3 分频</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>100</td> 
   <td>2 分频</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>101</td> 
   <td>1 分频</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>110</td> 
   <td>7 分频</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>111</td> 
   <td>保留</td> 
  </tr> 
 </tbody> 
</table>

[UART]: /images/20221123/970117abeb5f4a8b82bf96fa4aa3461c.png
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