一.串口通信的基本概念及原理理解 2017/11/12 22:52
1.同步通信和异步通信：
异步通信
：指通信的发送与接收设备使用各自的时钟控制数据的发送和接收过程。为使双方的收发协调，要求发送和接收设备的时钟尽可能一致，
即发送方和接收方没有统一的时钟节拍、而各自按照自己的节拍工作。
异步通信是以字符（构成的帧）为单位进行传输，字符与字符之间的时间间隔是任意的，但每个字符中的各位是以固定的时间传送的，即字符之间不一定有“位间隔”的整数倍的关系，但同一字符内的各位之间的距离均为“位间隔”的整数倍。如下图所示。
同步通信时要建立发送方时钟对接收方时钟的直接控制，使双方达到完全同步。此时，传输数据的位之间的距离均为“位间隔”的整数倍，同时传送的字符间不留间隙，即
保持位同步关系，也保持字符同步关系
。以上图异步通信传输示意图做参考。
2.电平信号和差分信号
(1)、电平信号和差分信号是用来描述通信线路传输方式的。也就是说如何在通信线路上表达1和0.
(2)、电平信号的传输线中有一个参考电平线（一般是GND），然后信号线上的信号值是由信号线电平和参考电平线的电压差决定。
(3)、差分信号的传输线中没有参考电平，所有都是信号线。然后1和0的表达靠信号线之间的电压差。
总结：电平信号的2根通信线之间的电平差异容易受到干扰，传输容易失败；差分信号不容易受到干扰因此传输质量比较稳定，现代通信一般都使用差分信号，电平信号几乎没有了。
总结2：看起来似乎相同根数的通信线下，电平信号要比差分信号要快；但是实际还是差分信号快，因为差分信号抗干扰能力强，因此1个发送周期更短。
3.并行
、
串行通讯概念及特点
(1)
并行通信
是指数据的各位同时在多根数据线上发送或接收.
串行通信
是指使用一条数据线，将数据一位一位地依次传输，每一位数据占据一个固定的时间长度。其只需要少数几条线就可以。
(2)并行特点：控制简单、传输速度快；由于传输线较多，长距离传送时成本高且接收方的各位同时接收存在困难.信号线占用多。
(3)在系统间交换信息，特别适用于计算机与计算机、计算机与外设之间的远距离通信.
串行特点：传输线少，长距离传送时成本低，但数据的传送控制比并行通信复杂.
总结：其实这么多年发展，最终胜出的是：异步、串行、差分，譬如USB和网络通信。
4.串口通信的基本概念
4.1 串口通信的特点：异步、电平信号、串行
(1)、异步：串口通信的发送方和接收方之间是没有统一的时钟信号的。
(2)、电平信号：串口通信出现的时间较早，速率较低，传输的距离较近，所以干扰还不太明显，因此当时使用了电平信号传输。后期出现的传输协议都改成差分信号传输了。
(3)、串行通信：串口通信每次同时只能传输1个二进制位。
4.2 RS232电平和TTL电平
(1)电平信号是用信号线电平减去参考线电平得到电压差，这个电压差决定传输值是1或0.
(2)在电平信号时多少V代表1，多少V代表0不是固定的，取决于电平标准。譬如RS232电平中-3V～-15V表示1；+3～+15V表示0；TTL电平则是+5V表示1，0V表示0.
(3)不管哪种电平都是为了在传输线上表示1和0.区别在于适用的环境和条件不同。RS232的电平定义比较大，适合干扰大、距离远的情况；TTL电平电压范围小，适合距离近且干扰小的情况。
总结：串口通信时因为是异步通信，所以通信双方必须事先约定好通信参数，这些通信参数包括：波特率、数据位、奇偶校验位、停止位（串口通信中起始位定义是唯一的，所以一般不用选择）
4.3 串行通信的制式
单工：单向的（或者是收或者是发）
半双工:(串行通信)收/发不可同时进行
全双工:(串行通信)收/发可同时进行
如图所示：
串口通信线最少需要2根（GND和信号线），可以实现单工通信，也可以使用3根通信线（Tx、Rx、GND）来实现全双工。
5.S5PV210串行通信接口详解
5.1
S5PV210的串口控制器工作原理框图
（1）
transmitter由发送缓冲区和发送移位器构成
。我们要发送信息时，首先将信息进行编码（一般用ASCII码）成二进制流，然后将一帧数据（一般是8位）写入发送缓冲区（从这里以后程序就不用管了，剩下的发送部分是硬件自动的），发送移位器会自动从发送缓冲区中读取一帧数据，然后自动移位（移位的目的是将一帧数据的各个位分别拿出来）将其发送到Tx通信线上。
（2）
receiver由接收缓冲区和接收移位器构成
。当有人通过串口线向我发送信息时，信息通过Rx通信线进入我的接收移位器，然后接收移位器自动移位将该二进制位保存入我的接收缓冲区，接收完一帧数据后receiver会产生一个中断给CPU，CPU收到中断后即可知道receiver接收满了一帧数据，就会来读取这帧数据。
（3）
串口控制器中有一个波特率发生器
，
作用是产生串口发送/接收的节拍时钟
。波特率发生器其实就是个时钟分频器，它的工作需要源时钟（APB总线来），然后内部将源时钟进行分频（软件设置寄存器来配置）得到目标时钟，然后再用这个目标时钟产生波特率（硬件自动的）。
5.2
S5PV210串行通信接口扩展功能详解
FIFO模式及其作用
(1)典型的串口设计，发送/接收缓冲区只有1字节，每次发送/接收只能处理1帧数据。这样在单片机中没什么问题，但是到复杂SoC中（一般有操作系统的）就会有问题，会导致效率低下，因为CPU需要不断切换上下文。
(2)解决方案就是想办法扩展串口控制器的发送/接收缓冲区，譬如将发送/接收缓冲器设置为64字节，CPU一次过来直接给发送缓冲区64字节的待发送数据，然后transmitter慢慢发，发完再找CPU再要64字节。但是串口控制器本来的发送/接收缓冲区是固定的1字节长度的，所以做了个变相的扩展，就是FIFO。
FIFO
(
数据结构
中的
先入先出
队列，这里这个大的缓冲区叫FIFO是因为这个缓冲区的工作方式类似于FIFO这种数据结构。，例如OV7670等摄像头的FIFO芯片，原理也一样。
DMA模式及其作用
(1)DMA direct memory access，
直接内存访问
。DMA本来是DSP中的一种技术，DMA技术的核心就是在交换数据时不需要CPU参与，模块可以自己完成。
例如STM32的内部DMA寄存器
。
(2)DMA模式要解决的问题和上面FIFO模式是同一个问题，就是串口发送/接收要频繁的折腾CPU造成CPU反复切换上下文导致系统效率低下。
(3)传统的串口工作方式（无FIFO无DMA）效率是最低的，适合低端单片机；高端单片机上CPU事物繁忙所以都需要串口能够自己完成大量数据发送/接收。这时候就需要FIFO或者DMA模式。FIFO模式是一种轻量级的解决方案，DMA模式适合大量数据迸发式的发送/接收时。
IrDA模式及其用法
(1)
IrDA其实就是红外线通信
(2)红外通信的原理是发送方固定间隔时间向接收方发送红外信号（表示1或0）或者不发送红外信号（表示0或者1），接收方每隔固定时间去判断有无红外线信号来接收1和0.
(3)分析可知，红外通信和串口通信非常像，都是每隔固定时间发送1或者0（判断1或0的物理方式不同）给接收方来通信。因此210就利用串口通信来实现了红外发送和接收。
(4)210的某个串口支持IrDA模式，开启红外模式后，我们只需要向串口写数据，这些数据就会以红外光的方式向外发射出去（当然是需要一些外部硬件支持的），然后接收方接收这些红外数据即可解码得到我们的发送信息。
5.3
S5PV210串行通信与中断与时钟设计
5.3.1、串行通信与中断的关系
（1）
发送方可以选择使用中断，也可以选择不使用中断。
- 使用中断：发送方先设置好中断并绑定一个中断处理程序，然后发送方丢一帧数据给transmitter，transmitter发送耗费一段时间来发送这一帧数据，这段时间内发送方CPU可以去做别的事情，等transmitter发送完成后会产生一个TXD中断，该中断会导致事先绑定的中断处理程序执行，在中断处理程序中CPU会切换回来继续给transmitter放一帧数据，然后CPU切换离开；
- 不使用中断：发送方事先禁止TXD中断（当然也不需要给相应的中断处理程序了），发送方CPU给一帧数据到transmitter，然后transmitter耗费一段时间来发送这帧数据，这段时间CPU在这等着（CPU没有切换去做别的事情），待发送方发送完成后CPU再给它一帧数据继续发送直到所有数据发完。CPU是怎么知道transmitter已经发送完了？有一个状态寄存器，状态寄存器中有一个位叫发送缓冲区空标志，transmitter发送完成（发送缓冲区空了）就会给这个标志位置位，CPU就是通过不断查询这个标志位为1还是0来指导发送是否已经完成的。
（2）
因为串口通信是异步的，异步的意思就是说发送方占主导权。也就是说发送方随时想发就能发，但是接收方只有时刻等待才不会丢失数据。所以这个差异就导致发送方可以不用中断，而接收方不得不使用中断模式
5.3.2、210串行通信接口的时钟设计
（1）
在S5PV210的串口控制器工作原理框图中，串口控制器中有一个波特率发生器
，所以，发送transmitter和接收receiver都需要一个时钟信号，那么这个时钟从哪里来？
- 源时钟信号是外部APB总线（PCLK_PSYS，66MHz）提供给串口模块的（这就是为什么我们说串口是挂在APB总线上的），在上一节总结的时钟框架图中，可以查阅到。
- 然后进到串口控制器内部后给波特率发生器（实质上是一个分频器），在波特率发生器中进行分频，分频后得到一个低频时钟，这个时钟就是给transmitter和receiver使用的。
（2）
串口通信中时钟的设置主要看寄存器设置
。重点的有：
- 寄存器源设置（为串口控制器选择源时钟，一般选择为PCLK_PSYS，也可以是SCLK_UART），还有波特率发生器的2个寄存器。
（3）
波特率发生器有2个重要寄存器
：
- UBRDIVn和UDIVSLOTn，其中UBRDIVn是主要的设置波特率的寄存器，UDIVSLOTn是用来辅助设置的，目的是为了校准波特率的。
