【北邮果园微处理器设计】10 Serial Communication 串口通信笔记

以下内容都是博主课上学习，以及在看了CSDN上相关文章加强理解后的笔记内容。转载请先联系博主！

10 Serial Communication

一、将Word转换为连续的比特

1. Serial vs. Parallel

系统中表示N个bit的两种方法

• Serial：一个bit为一个周期，N个bit需要N个周期
• Parallel：N个bit一个周期

2. 串口通信

Serial Communication（缩写为：Serial Comm）

主要优点：减少连接两个系统的数据线的数量

• 代价：有时延，效率低。

2.1 串口通信的3种模式

• Simplex：单向的，固定一个发一个收

• Half Duplex：Time-shared，时差双向发送（不可以同时双向收发）

• Full Duplex：可以同时双向收发

2.2 同步

传输的时一个二进制数据流，即一个“0”或“1”的序列

• 发送端：encode the stream
  • 例如，'A' = 0x41=b"01000001"
• 接收端：decode the stream
  • 为了成功通信，系统在传输过程中必须保持同步。

两种传输方法：

• Synchronous：系统使用统一的时钟
• Asynchronous：系统使用分开的时钟

二、比特的发送和接收

1. 同步发送

依靠信号中的时钟分量来保持时钟一致

• 使用移位寄存器和一个时钟信号完成串并转换

**同步：**与数据信号一起的称为explicit clock（显式时钟信号）

2. 异步发送

使用不同的时钟

• 正确解码的前提：接收机必须与发射机同步采样。

在实际中，时钟会因为error而出现错误

• 所以，我们必须定期重新同步以确保时钟保持同步。

为了解决同步问题，我们使用Asynchronous Communication Protocol

2.1 异步串口通信协议

发送编码

数据在包含的帧中编码（每个数据的最小单位是frame）

• Start bit：接收器同步的起始位（感应到这个就开始同步）
• Data bits：传输的word的data
• Stop bit：表示该帧已传输完

Frame与Frame之间保持高电位(IDLE)【空闲状态保持高电平】。

接收解码

接收机检测Start bit前沿，然后将其作为采样数据线的定时参考，在时间$T_{bit}\ast (N+1.5)$内提取N个数据比特

• 通过采样来提取
• 只有当line在帧结束时处于预期状态(stop = HIGH)时，数据才被正确读取【读取完一个完整的Frame后数据才能被完整的解码】

误差忍受度

对于8位数据，我们可以容忍大约5%的时钟速度差异。

3. 详解串口通信

3.1 Data Frame格式

Start bit：1个bit

Data：LSB最先，总长度为7-9个bits

Parity Bit：（可选）用于检测数据中是否有error

Stop bit：1个bit或者2个bits

3.2 串口通信速率

所有设备必须使用相同的通信参数

• 例如通信速度(300波特、600、1200、2400、9600、14400、19200等)

3.3 复杂网络

复杂的网络协议在每个数据帧中包含更多的信息

4. Error检测

• 可以发送附加信息来验证数据是否正确接收
• 需要指定Parity Code来进行奇偶校验
• Parity Bit是用来检测frame中data部分1的个数，Parity Bit有两种，表示偶的Parity Bit(even parity bit)以及表示奇的Parity Bit(odd partiy bit)，低电平表示为真
  • 当data部分有6个1时，当parity bit是odd parity bit时，会被设置为1；当parity bit是even parity bit时，会被设置为0
  • 当data部分有5个1时，当parity bit是odd parity bit时，会被设置为0；当parity bit是even parity bit时，会被设置为1
• 单一parity bit会检测1，3，5，7，9 bit是否损坏了，但是不会检验偶数的bit
• 更强的错误检测码(如Cyclic Redundancy Check - CRC)存在并使用多个位(如8,16)，可以检测更多的错误。

Parity Bit 例子

5. 串口通信优缺点

异步串口通信：

• 优点：

  • 简单和便宜

• 缺点：

  • 高开销，因为启动和停止位占用了至少2/10(或更多)的frame的位置。【意味大带宽】

同步串口通信：

• 更有效率，但更复杂

在同步通信中如何获取时钟？

• 将时钟和数据以不同的线传输
• 将时钟信号编码至数据流中，例如曼彻斯特编码

三、异步传输协议 — RS232C

1. RS232C异步协议

是常用的异步传输协议，PC的串口用的就是 RS232C协议

规定了==反极性电压==

• -3v到-15v：表示逻辑1
• 3v到15v：表示逻辑0

1.1 RS232传输系统例子

2. RS232C Flow Control

• 连续发送过多字节可能会使接收端输入缓冲区溢出。
• **request-to-send(RTS)和clear-to-send(CTS)**允许硬件控制数据流。

常有的设计问题：

• 我们可能想要连接两个数据终端设备
  • 把电脑和打印机连接起来

3. 最小Serial Link电路

四、解析消息 — 从接受到的比特流中解码

1. 消息解码

两种类型的消息：

• Actual binary data sent【就是比特流】
  • 首先识别消息类型
  • 其次，基于此消息类型，将二进制数据从消息字段复制到变量中
  • 可能需要使用指针和强制转换来获得正确和安全的格式
• 表示所发送数据的ASCII text characters【将比特流用ASCII转换为Char】
  • 首先识别消息类型
  • 其次，基于此消息类型，将数据从ASCII消息格式转换(解析)为二进制格式
  • 第三，将二进制数据复制到变量中

第一步都是要识别消息类型

Binary Serial Data例子：TSIP

用不同index来划分不同消息，划分一定长度得bit来表达。

ASCII Serial Data例子：NMEA-0183

头几个字符分别为：

• 开始符
• ID
• 三个字母来描述消息内容的助记符。MSG

然后中间是消息

后几个字符：

• *是用来分开消息何checksum的标识
• CS是checksum
• \r\n：是结束

五、USART - 特征

同步/异步 串口通信

1. STM32F401 - USART

USART: Universal Synchronous Asynchronous Receiver Transmitter

• 可以同步也可以异步

具备以下特点：

• 全双工，异步通信
• 用NRZ来传号和传空
• 可配置的oversampling方法，通过16或8在速度和时钟公差之间提供灵活性
• 有不同级别baud rate的产生系统
• Data word的长度可以设置为8bits或者9bits
• 可以设置stop bits的长度，1或2 bit
• Parity Control
• 四个Error detection flag
• 10个interrupt sources with flag
• 有同步模式
• HW 流控制模式

2. USART区块图

3. USART 模式

• Normal mode：用到TX pin以及RX pin
  • RX：接收serial data的数据接入扣
  • TX：数据发送口
    • 当Transmitter disable的时候，TX口的电位根据Configuration给
    • 当Transmitter enable的，但没有任何东西要发的时候，TX保持高电位（开了但没发东西就默认为高电位）
• Synchronous mode：除了TX和RX还用到CLK
• Hardware flow control mode：用到CTS和RTS
  • CTS：clear to send，有效电平为低
  • RTS：用来指示USART以及准备好接收数据了，有效电平为低

4. 如何管理USART的TX/RX

1. 如何知道数据何时等待接收或准备传输?
2. 如何在RX/TX和其他计算和操作之间共享微处理器时间?
3. STM32F401 USART的设计允许灵活的实现和连接。

5. Software Structure

通信和程序是异步的 - 不知道程序会执行什么代码【不知道什么时候收到消息】

• 不知道下一个item什么时候来
• 不知道当前的item什么时候完成传输
• 不知道有没有error发生

需要在程序和串行通信接口之间以某种方式进行同步。两个选择:

• Polling：
  • 一直监听知道data可以用
  • 简单但是效率很低
• Interrupt：
  • CPU当数据好了就发interrupt
  • 高效，但是复杂

6. 串口通信和Interrupt

想在程序中提供多线程控制【一个主线程，三个ISR】

• Main Program
• Transimit ISR：当Serial Interface准备好发送下一个char时触发
• Receive ISR：当Serial interface接收到了一个char时触发
• Error ISR：当有Error的时候触发

各个线程之间需要一个Buffer来存数据：用有首指针和尾指针的循环队列来存

6.1 实现队列的代码

队尾写新，队头读取

• 队列的长度是在初始化的时候就定死的

• TX和RX都有一个队列【TX和RX都有buffer】

  • TX ISR: unload tx_q
  • RX ISR: loads rx_q

• 其他的线程要用的时候就分别用 unload tx_q 和 loads rx_q

• 用%运算符来确保这是一个循环队列

  • 如果队列大小不是2的幂，则使用%(模，余数)操作符
  • 如果队列大小是2的幂，则使用&(bitwise and)

• 判断队列空：tail == head

• 判断队列满：(tail + 1) % size == head

队列初始化

判断是否为满

入队& 出队

六、USART - Control Regs

1. USART 字符描述

• Word长度（基于USAR_CR1中的M）【M是parity。如果M作为Partiy的话那word长就是8bits；如果不做parity，那就是9bits】
• 在Start Bit期间，TX引脚处于低电位；在Stop bit期间，它处于高电位。
• Idle character： 一整个frame都是1
• Brak character：整个frame周期内都接收到0

2. USART Transmitter

• 当【USART_AR1中的】TE设定后，在transmit shift register中的数据会输出到TX上（LSB先出）
• USART_DR(TDR)缓存内部Bus和transmit shift register中间部分的数据。

• 写入USART_DR（TDR）时将TXE（Transmit buffer empty）标清除。

• TXE当以下情况时会被HW设置：

  • 当数据从TDR转移到shift regs时 - 数据开始发送
  • TDR为空
  • 下一个数据可以被写入USART_DR register时

  

3. USART Receiver

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意义：

• 用上图中间采样的三位来根据下表进行判断，用于噪声误差检测和字符接收
• Frame错误检测：在预期的接收时间没有识别到停止位 (FE【frame error】位在USART_SR中设置)
• FE位通过USART_SR寄存器读操作和USART_DR寄存器读操作复位。

4. Baud Rate的生成

Rx和TX的波特率都设置为与USART_BRR中USARTDIV的Mantissa和Fraction value相同的值。

• OVER8在使用16 oversampling的时候设为0；当使用8 oversampling的时候设为1

• USARTDIV是一个在USART_BRR寄存器上编码的unsigned fix number。

• USART_CR1中的OVER8定义过采样率。

得到4位的Fraction后，用Fraction的十进制数除以16得到fraction所表示的小数

左边例子：

• 0x1BC转为二进制为11011 1100，取前五位为Mantissa，后四位为Fraction【都要用四位为Fraction，是固定的】

5. Parity Check

Parity Control：用于生成传输用的parity code和接收时用来检验的parity code【传输和接收用的其实是一样的parity】

• 通过设置在USART_CR1中的PCE bit（Parity Check Enable）来Enable【来控制M是否用来做Parity Code，同时也影响了word length】：
• 

Even Parity：用来校验Frame里面全部bit的1是否为偶数。data = 00110101时候，even parity为0

Odd Parity：用来校验Frame里面全部bit的1是否为偶数。data = 00110101时候，odd parity为1