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embedded/USART

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USART簡介與特性
...................
串列傳輸為CPU與周邊裝置或CPU與CPU間的資料傳輸方法之一，而USART(universal synchronous asynchronous receiver transmitter)，通用同步/非同步收發傳輸器，則常被用於一般的串列傳輸應用中。可依照NZR工業非同步資料傳輸格式，與其他設備進行資料交換。並且此種裝置使用fractional baud rate產生器，提供大範圍的baud rate供使用者選擇。

此外，亦支援同步傳輸、單線半雙工傳輸、LIN(local connection network)、Smartcard protocol、IrDA(Infrared data association) SIR ENDEC標準。

高速資料傳輸，則使用DMA去設定多重緩衝區來達到此目的。

NRZ標準資料格式(Mark/Space)
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   NRZ(Nonreturn to Zero):不歸零編碼

   這是一種傳送資訊的編碼方式，它以正脈波代表1，負脈波代表0，當訊號連續為'1'時，則保持正脈波，直到出現'0'為止

   它的特色是編碼解碼較為簡單，但缺乏同步傳輸的能力，且無法提供較佳的訊號校正能力。

.. image:: /NRZcode.png

圖片來源：`wikipedia<http://zh.wikipedia.org/wiki/%E4%B8%8D%E6%AD%B8%E9%9B%B6>`_

半雙工/全雙工
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.. image:: /embedded/USART_HalfDuplex.JPG

 - 半雙工:允許二台設備之間的雙向資料傳輸，但不能同時進行。因此同一時間只允許一設備傳送資料，若另一設備要傳送資料，需等原來傳送資料的設備傳送完成後再處理。例:無線電

.. image:: /embedded/USART_FullDuplex.JPG

 - 全雙工:允許二台設備間同時進行雙向資料傳輸。例:手機

CLOCK SKEW
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時鐘偏移(clock skew)是指時脈訊號到達數位電路各個部分所用時間的差異，這是由於時脈訊號到各個電子元件的所經路徑長度不同而產生。

Synchronous 同步傳輸
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   - 同步: 額外提供時脈訊號，使兩端機器在溝通時能夠藉此同步收發資料。比起非同步傳輸，同步傳輸不需要start/stop bit，因此能夠一次傳較多的資料。同步傳輸需要解決時鐘偏移對資料傳輸造成的影響，除此之外，額外的時脈分佈網也需要大量的驅動電路，比起非同步傳輸增加了更多的耗能。一般同步系統會用阻斷時脈的方式(clock gating)，來令不需運作的模組進入睡眠狀態(sleeping mode)到省電的目的，這個機制需要額外的電路及再次同步的額外延遲，不僅造成多餘的能源損耗，也增加了電路設計上的困難度。


若要使用此模式，要把USART_CR2的CLKEN設定為1。下列設定必須要設為0: 
   - USART_CR2的LINEN
   - USART_CR3的SCEN、HDSEL、IREN

USART允許使用者以master mode控制雙向同步串列傳輸。SCLK腳位會輸出傳送器的時脈，而在送出start bit以及stop bit時，SCLK不會輸出時脈。根據USART_CR2的LBCL設定，可以決定是否在最後一個資料bit(該bit代表位址)於SCLK輸出時脈。USART_CR2的CPOL允許使用者選擇時脈極性，而USART_CR2的CPHA允許使用者選擇外部時脈的相位。

在idle state、前同步碼(preamble)以及傳送break時，外部SCLK腳位不會被啟用。

在同步模式下，USART傳送器的行為與非同步模式一樣。但是因SCLK與TX同步(因CPOL與CPHA的設定)，TX送出的資料會是同步的。

此模式下的USART接收器會與非同步模式的行為不同。如果RE=1(CR1的設定)，則資料會在SCLK的rising或falling edge被採樣(看CPOL與CPHA的設定)，並且不使用任何oversampling。Setup以及hold time必須要明確地保留(依據baud rate變化而有所不同: 1/16 bit time)。

SCLK與TX須一同使用，所以只有在傳送器啟用(TE=1，CR1的設定)而且正在傳送資料(USART_DR)的情況下，SCLK才會輸出時脈。意即不太可能只接收同步資料，卻不傳送資料。

當傳送器和接收器皆關閉時(TE=RE=0)，LBCL、CPOL、CPHA必須要被設定，以確保SCLK正常運作。在傳送器或接收器打開時，這三個設定不可以去動。

建議同時設定TE和RE，以減少接收器的setup和hold time。

另外，USART只支援master mode，不論是接收或傳送資料，皆無法使用外部時脈(因SCLK是單向輸出)。


.. image:: /synchronous_transmission.png

.. image:: /usart_syn.png


Ref: `RM0090 Reference Manual P.974<http://www.st.com/web/en/resource/technical/document/reference_manual/DM00031020.pdf>`_   

Asynchronous 非同步傳輸
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   - 非同步: 在傳送資料時插入額外資訊，表示資料起始、結束。好處是設定時間短、硬體成本低、機器時脈不同也能傳資料，缺點是單次傳輸的資料量較少。

.. image:: /embedded/ASYNC.gif

來源: `webopedia<http://www.webopedia.com/FIG/ASYNC.gif>`_

RS232 介面標準
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在RS-232標準中，資料是以串列（serial）方式傳輸，其最常用的編碼格式是非同步起停（asynchronous start-stop）格式，它使用一個start bit後面緊跟7或8個資料位元（bit），然後是可選的奇偶校驗位元，最後是一或兩個停止位元。所以傳送一個字元至少需要10位元，主要功能為提供DTE以及DCE的實體連接。

RS-232電器特性
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 - 最大電壓範圍為±25V;
 - -3V至-25V定義為邏輯“1”(負邏輯)，稱為marking，功能意義為OFF；
 - +3V至+25V定義為邏輯“0” (負邏輯)，稱為spacing，功能意義為ON；
 - 接近零的電位是無效的(±3V之間)；
 - 接收信號端的輸入阻抗必須在3KΩ~7KΩ之間，輸入電容小於2500pF；
 - 接收信號端開路時，端點電壓必須小於2V；
 - 發送信號的一端輸出阻抗必須大於300Ω。
RS-232的機械特性
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 - 連接器有25pin及9pin，現多用9pin，因較節省空間及成本。
 - 最大傳輸線長度為50呎（15公尺），且資料傳輸速率在20Kbps以下。
.. image:: /RS232_DB9pin2.png

.. image:: /embedded/RS232_DB9Name3.png

RS-232訊號傳輸
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.. image:: /RS232_Signal.png

 - 傳送單一封包時，一個package有1個startbit、8個data bits，1個stop bit。傳送完成後再傳送一個idle。

.. image:: /signal_noidle.jpg

 - 而傳送多個連續封包時，在資料傳輸完以前並不會傳送idle，代表還沒有結束傳輸，原因是因為UART傳輸速度太慢，放入idle則會浪費頻寬。

例:由示波器的高低電位可以得出邏輯0010 0100 由於是從LSB開始傳，所以必須翻轉變成0010 0100換成16進位為0x24，就是符號 "$"
 
RS-232阻礙
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 - 過大的電壓擺幅，造成耗電量的增加
 - 單端訊號對於雜訊抑制的能力並不佳
 - DB25的接頭過大

單端信號傳輸與差分信號傳輸
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以前，個人電腦所連接電纜的信號傳輸的主流方式是單端信號方式，其代表性特點是列表機連接使用並行接口(parallel port)，調制解調器(modem)使用RS-232C。

單端信號傳輸
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.. image:: /embedded/single-ended.png

 - 採用的是多個信號線共同使用信號返回的地線的方式。進行電壓檢測時，通過地線信號的電位，判斷邏輯。

在這種方式下，列舉如下兩個提高傳輸速率的方法:

 - 提高各信號線的傳輸速度
 - 增加信號線個數

如果增加信號線個數，連接器會更加大型化，電纜也變得更粗。如果單純地提高信號的速度，那麼不僅需要昂貴的IC，而且輻射的電磁干擾噪音也會變強。
如果降低電壓振幅，由於信號的上升/下降時間會縮短，高速傳輸也變得相對容易。但是如果電壓降低，那麼由於外部噪音的影響，很容易發生錯誤，為了解決這些問題，差分傳輸技術開始被廣泛使用。

差分信號傳輸
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.. image:: /embedded/Differential Signal.png

 - 使用兩根信號線，這兩個信號的振幅相同，相位相反，電流在彼此間逆向流動，信號接收端比較這兩個電壓的差值來判斷發送端發送的是邏輯0還是邏輯1。在電路板上，差分走線必須是等長、等寬、緊密靠近、且在同一層面的兩根線，USB3.0就是高速差分傳輸的一種。

至於來自於外部的噪音，即使在正負兩端的信號線外施加同樣的噪音，因差分傳輸而容易發現信號線間的電位差，所以噪音會被消除，不易引發錯誤。

.. image:: /embedded/differential_noise.png

 - 通過相互間逆向流過電流，抵消磁通，由此降低信號高次諧波所引發的電磁干擾噪音。

但若電路板的面積非常吃緊，單端信號可以只有一根信號線，地線走地平面，而差分信號一定要走兩根等長、等寬、緊密靠近、且在同一層面的線。這常常發生在晶片的pin腳間距很小，以至於只能穿過一根走線的情況下。

DTE and DCE
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DTE
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 - Data terminal equipment，數位資料的接收或輸出端，並用傳輸協定對資料傳收流程做控制的機器。常見的機器為電腦。

DCE
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 - Data circuit-terminating equipment，對類比訊號做編解碼，藉此傳收數位資料的機器。常見的機器為數據機。

null modem Q2_a
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 - modem: modulator-demodulator，將數位訊號編碼為類比訊號、或將類比訊號解碼為數位訊號。類比訊號可為無線電、紅外線、電流等，常見的應用有wifi、手機、藍芽、有線電話、光纖網路等。
 - 一般的modem接法為DTE-DCE-circuit-DCE-DTE，若要使DTE-DTE或DCE-DCE相連，就要對訊號線作處理。

.. image:: /embedded/USART_NullModemBriefview.jpg

也有市售的接頭

.. image:: /embedded/USART_NullModem.jpg

TTL and CMOS 特性 Q2_b
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Transistor-Transistor Logic:是市面上較為常見且應用廣泛的一種邏輯閘數位積體電路，由電阻器和三極體而組成。

Complementary Metal-Oxide-Semiconductor:是一種積體電路製程，可在矽晶圓上製作出PMOS（p-type MOSFET）和NMOS（n-type MOSFET）元件，由於PMOS與NMOS在特性上為互補性，因此稱為CMOS。

.. image:: /embedded/TTL_CMOS_LOGIC.png

輸入位準

TTL:邏輯0是0.8V以下，邏輯1為2.0V以上

 - ex:某TTL輸入端測量電壓為3.2V，這是屬於邏輯「1」，因為3.2V>2.0V。

CMOS:邏輯0為0.3Vdd以下，邏輯1為0.7Vdd以上。

 - ex:某CMOS使用5V電源，輸入端測量電壓為3.2V，3.2V/5V=0.64，未及70%，VDD以上也不在30%VDD以下，故非邏輯「1」也不是邏輯「0」，此電壓意味著送出3.2V的元件故障或電路設計錯誤。

輸出位準

TTL: 邏輯0為0.4V以下，邏輯1為2.4V以上。
CMOS:邏輯0為接近Vss，邏輯1為接近Vdd。

.. image:: /embedded/USART_TTL_CMOS_WAVE.jpg

 - VDD：晶片工作電壓
 - VCC：外部電路工作電壓
 - C ＝ Q/V 
 - I ＝ dQ/dt

由上圖可知，TTL的rise time及fall time都比較短。雖然都是要把一個元件充電到能夠輸出邏輯1，但是rise & fall time長一點的話，能夠降低訊號噪音。rise & fall time如果很短，代表說要在短時間把電路充電到既定電壓，而TTL的特性就是充電很快，這代表短時間內通過的電流其實很大。在絕對零度以上時，電路中的原子都會震盪，而很多個電子在短時間內通過這些正在震盪的原子，會造成阻塞、碰撞，在這過程中就會產生不必要的能量損耗以及額外的雜訊。

 - CMOS：耗能較少、延遲時間較TTL多（2.5-5倍，因rise & fall time較長）、抗噪能力好（5V電壓下，抗噪能力比TTL多出1V）、工作電壓低

 - TTL：耗能多、延遲時間短（因rise & fall time短）、抗噪能力差（5V電壓下，抗噪能力為0.4V）、工作電壓相對高

雜訊抑制能力比較:

 - TTL的VOL普通約為0.2V最差時為0.4V，而VIL只要在0.8V以下即可，所以當一個TTL輸出VOL到另一個TTL時可以忍受0.4V的雜訊干擾，因為VOL本身的0.4V加上雜訊的0.4V為0.8V還在VIL的判斷之內。同理，TTL輸出VOH 到另一個TTL時同樣可以忍受0.4V的雜訊干擾，因為VOH-VIH =2.4V-2.0V=0.4V。

 - CMOS電源VDD為5V時的VOH約為5V，VIH為0.7VDD=3.5V，此時VOH-VIH=5V-3.5V=1.5V，而VOL約為0V，VIL為0.3VDD=1.5V，VIL-VOL=1.5V-0V=1.5V，故CMOS在電源VDD=5V時的雜訊容忍電壓為1.5V，我們發現CMOS比TTL的雜訊容忍電壓大多了。

STM32 USART介紹與特性
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 - 可調整oversampling長度(8 or 16)，藉此在速度以及時脈之間做取捨。

 - Factional baud rate generator systems。常見的tx/rx baud rate設定法，

 - 可程式化的資料長度 (8 or 8+1 bits)

 - 可程式化的停止位元 (1 or 2 bits)，在Smartcard模式支援0.5及1.5(建議)bits。

 - LIN 主從同步資料傳輸，使用break傳輸/偵測達到此目的。

 - 同步傳輸模式下，提供tx的CLK信號

 - IrDA SIR 編解碼器

 - 可做為Smartcard模擬器
   
 - 支援單線半雙工通訊

 - 可用DMA(Direct Memory Access)設定多重緩衝區並進行資料交換。
  
 - TX/RX都有各自獨立的Enable Bit(TE、RE)

 - 3個傳輸檢測標誌

 - 檢測控制

 - 4個錯誤檢測標誌

 - 支援10種中斷

 - 多處理器通訊，如果資料中的地址沒有配對成功，則進入mute mode。

 - 2種喚醒接收器的方式

USART Block Diagram
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.. image:: /embedded/USART_pic296.jpg
Ref: `RM0090 Reference Manual P.949<http://www.st.com/web/en/resource/technical/document/reference_manual/DM00031020.pdf>`_

此通訊界面以三個腳位與其他設備連接。任何USART雙向通信至少需要兩個腳位：接收資料輸入(RX)和發送資料輸出(TX)
   - RX: 接收資料輸入。藉由Oversampling技術判斷有效資料及噪音
   - TX: 發送資料。若發送器沒有被啟用，則此腳位會回到I/O port設定狀態。當發送器被啟動時，如果沒有傳送數據，則TX保持高電位。在單線半雙工模式或Smartcard 模式時，此I/O同時被用於資料的傳送和接收(以USART角度來看此情況，TX負責傳輸資料，但接收資料由SW_RX負責)。

以USART傳輸資料時，串列資料由下列frames組成:  
   - 傳輸或接收資料之前，由Idle Line表示。
   - 一個start bit
   - 一個資料word，可為8/9 bits，用least significant bit做資料排序。根據USART_CR1暫存器中的M位選擇8或9位元決定資料長度。
   - 一組0.5, 1, 1.5, 2 stop bits，用以表示該次frame傳輸完畢。

另外包含以下數種register: 
   - 狀態暫存器(USART_SR)
   - 資料暫存器(USART_DR)
   - baud rate暫存器(USART_BRR)。儲存由fractional baud rate generator產生的傳輸速率，以12位整數和4位小數表示
   - Guardtime暫存器(USART_GTPR)，供Smartcard模式使用

另外在同步模式中，需要此一腳位:
  
   - SCLK: 在同步模式下，送出傳送器目前的時脈數值。可對應至SPI master mode(在start bit和stop bit不送出clock訊號，另外可用軟體選擇是否在最後一個data bit送出clock訊號)。送出時脈數值的同時，資料可以在RX端被接收。這種特性可用於控制擁有shift暫存器的周邊設備(例: LCD驅動)。時脈的相位以及訊號極性可用軟體設定。在Smartcard模式下，SCLK可對Smartcard提供本身的時脈。
   
在Hardware flow control中，則另外需要下列兩個腳位:
   
   - nCTS: 阻擋發送資料。若在高電位，則當目前資料傳送結束後，中斷下一次的資料傳送
   
   - nRTS: 請求發送資料。若在低電位，則表示USART已經準備好接收資料






M位
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資料長度根據USART_CR1暫存器中的M位選擇8或9位元

.. image:: /usart_M_byte.jpg


   - 在起始位(start bit)期間，TX處於低電位，如圖中的(a)，在停止位期間，TX處於高電位，如圖中的(b)。


.. image:: /usart_M_idle.jpg


   - 另外空閒符號則全由'1'組成，包含資料的停止位元位數也是'1'，如圖中的(c)，後面接著下一個資料的開始位；


.. image:: /usart_M_break.jpg


   - 中斷符號則全由'0'所組成，包含資料的停止位也是'0'，如圖中的(d)，


在中斷時，發送器會再插入1或2個停止位('1')以區分下一筆資料的起始位，如圖中的(e)


Ref: `RM0090 Reference Manual P.950<http://www.st.com/web/en/resource/technical/document/reference_manual/DM00031020.pdf>`_

Tx傳送器
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 - 傳送器依據USART_CR1的M位狀態來決定發送8或9位元的資料。
 - 當transmit enable bit(TE)被設定時，在transmit shift register的資料會經由TX腳位送出，同時，相對應的時鐘脈衝會由SCLK腳位輸出。

資料的傳送
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在USART發送期間，TX首先傳送資料的最低有效位元(least significant bit)。在此模式中，USART_DR與內部匯流排和transmit shift register會之間包含一個緩衝器(TDR)。

每個資料在傳送前都會有一個低電位的起始位(start bit)；資料傳完之後會接著一組停止位元(stop bit)。

在傳送資料的過程中，不可以去更改TE的設定，否則會導致baud rate counter停止，目前正在傳的資料也會毀損(因只傳了一部份)。
TE被開啟時，會立即送出一個idle frame。

停止位元的數目可由使用者決定為0.5, 1, 1.5或2 bits:
   - 1 bit的stop bit: 預設的停止位位元數
   - 2 bits的stop bit: 一般USART模式、單線傳輸模式和modem modes
   - 0.5 bits的stop bit: Smartcard mode接收數據用
   - 1.5 bits的stop bit: Smartcard mode接收或發送數據用

傳送idle frame時，會連stop bits一起送出，因idle frame本身就包含stop bits。
傳送break時，會連續傳輸10個低電位bits(包含1個stop bit，此時M=0)，或是11個低電位bits(包含2個stop bits，此時M=1)。但是不可能傳輸過長的break(大於10/11低電位bits)

**stop bits其實不算是個bit，他是傳輸結束後的一段時間(period)，用以區隔每個傳輸的資料，其功用是在非同步傳輸的時候可以告訴接收器，資料傳輸已經結束。透過增加stop bits的長度，可讓接收器能有足夠的時間可以處理該資料**

**另外，由於資料搬移到transmit shift register中最少需要1/2 baud clock，因此在Smartcard mode的接收中，最少必須設定0.5 bit的stop bits**

Ref: `RM0090 Reference Manual P.952<http://www.st.com/web/en/resource/technical/document/reference_manual/DM00031020.pdf>`_


傳送器的設定
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.. image:: /usart_fig298.jpg

.. image:: /embedded/USART_DataTransmission.gif

.. image:: /usart_transmiter.png

設定流程如下:
   1. 設定USART_CR1的UE為1來啟動傳輸，如圖中的(a)
   2. 設定USART_CR1的M決定資料長度，如圖中的(b)
   3. 設定USART_CR2中的STOP位來決定停止位元的長度，如圖中的(c)
   4. 採用多重緩衝器的話，則須設定USART_CR3的DMAT啟動DMA，並按照多重緩衝器的章節內容去設定DMA，如圖中的(d)
   5. 利用USART_BRR暫存器設定baud rate，如圖中的(e)
   6. 設定USART_CR1的TE為1，在第一筆資料傳送前，傳送一個空閒的frame，如圖中的(f)
   7. 將欲發送的資料寫入USART_DR中，此動作會一併清除TXE，如圖中的(g)。
   8. 若有多筆資料要傳送，則重複步驟7.，如圖中的(l)。
   9. 當最後一筆資料寫入USART_DR時，要等到TC=1才可以做其他動作。TC=1代表所有資料傳輸已經結束。此動作為的是避免最後一筆資料在傳輸時毀損(因USART此時可能已經被關閉，或是進入halt mode)。


當資料放入USART_DR會由硬體清除TXE位，如圖中的(h)，則表示:
   1. 資料已從TDR中放入transmit shift register，而且資料已開始傳送
   2. TDR暫存器無資料
   3. 下一筆資料可放入USART_DR中，並且不會覆蓋前一筆資料


若設定TXEIE為1，則會產生一個中斷，如圖中的(i):
   - 如果USART正在發送資料，對USART_DR的寫入會把資料移到TDR暫存器中，並在目前的資料傳送結束後，把TDR的資料移進transmit shift register中
   
   - 如果USART沒有在發送資料，則對USART_DR寫入資料時，會直接把該筆資料放入transmit shift register中，並啟動傳送，當傳送開始時，硬體會立即設定TXE位。

當一個frame的資料發送完畢(送出stop bits後)，TC位會被設定為高電位，如圖中的(j)，如果USART_CR1中的TCIE有被設定，則會產生一個中斷，如圖中的(k)。

當最後一筆資料寫入USART_DR後，一定要等到TC=1才可以把USART關掉，或是讓整個控制器進入低功耗模式。

在一般模式下，若要清除TC，可以直接對TC寫入0。如果是使用多重緩衝區模式，則要先讀取USART_SR暫存器，再對USART_DR暫存器做寫入動作。

.. image:: /embedded/USART_pic299.jpg


傳送斷開符號
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 - 透過設定USART_CR1的SBK位，可以發送一個斷開符號，斷開符號的長度取決於M位。

 - 如果SBK=1，則在目前的資料發送後，在TX線上再發送一個斷開符號。當斷開符號傳送完成後，會由硬體重設SBK至0。

 - USART會由硬體在最後一個斷開符號的結束處插入一個'1'，確保能辨識下一個資料的起始位。


傳送空閒符號
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 - 設置USART_CR1的TE，會使得USART在發送第一筆資料前，發送一個空閒符號，喚醒接收端。


接收器
====================================
 - 接收器依據USART_CR1 M位的狀態來決定接收8或9位元的資料。


起始位元偵測(oversampling)
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.. image:: /usart_fig300.jpg


在USART中，如果辨認出一個特殊的採樣序列( 1 1 1 0 X 0 X 0 X 0 0 0 0 )，則認定偵測到一個起始位。不論是用哪種oversampling(16 or 8)方法，這個序列都一樣。

如果在第一次採樣(第3、5、7採樣點)都收集到0，而且第二次採樣(第8、9、10採樣點)也是都收集到0，則認定已經偵測到start bit(此時RXNE會設定為1，若RXNEIE=1會額外發出interrupt)。

如果在第一次採樣(第3、5、7採樣點)收集到2個以上的0，而且第二次採樣(第8、9、10採樣點)也是收集到2個以上的0，也會認定已經偵測到start bit(此時RXNE會設定為1，若RXNEIE=1會額外發出interrupt)。但是會另外去把NE設定為1，因為可能在接收過程中有噪音訊號。

**如果這兩次採樣結果不相符(例: 一次採到2個0，另一次採到2個1)，則接收端停止start bit偵測、回到idle state並等待下一次的電壓下降。**

如果在這兩次採樣過程中，有任何一次只收集到2個0(但另一次收集到3個0)，還是會認定已經偵測到start bit，但也會把NE設定為1，理由同上。


**採樣的時間間隔**

.. image:: /usart_sampling.png

假設baud rate = 9600 bps，則一個bit的傳輸時間為104us，usart會在接收器啟動後的52us，開始採樣

若偵測到開始位元，則開始接收資料，反之則等待104us，再採樣一次

停止位元偵測(oversampling)
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Stop bits的接收數目可以由USART_CR2去設定，在一般模式可選擇1 or 2，在smartcard模式則可選擇0.5 or 1.5。
   1. 0.5 stop bit(用於smartcard模式的接收器): 不進行採樣，所以沒辦法偵測到framing錯誤，或是偵測出break frame。
   2. 1 stop bit: 在第8, 9, 10個採樣點進行採樣
   3. 1.5 stop bit(用於smartcard模式，包含接收器和傳送器): 1.5 stop bit的採樣是在第16, 17, 18個採樣點進行(在stop bit開始後1個baud clock之後才開始採樣)。而1.5 stop bit可以分成前0.5和後1 stop bit。在前0.5 stop bit甚麼事都不做，在後1 stop bit的中間(16, 17, 18)才開始採樣。在smartcard模式傳輸資料時，必須要確保每筆資料都有正確地送出去。所以接收器一定要把USART_CR1的RE設定為1，然後stop bit會被拿來偵測是否有parity error產生。如果發生了parity error，smartcard會在採樣時強制把資料訊號拉至低電位(此為NACK訊號，這種訊號會被另一端標記成framing error)。在1.5 stop bit結束時，FE和RXNE會同時被設定為1。其餘請參考smartcard章節。
   4. 2 stop bits: 在第一個stop bit會對第8, 9, 10個採樣點進行採樣，如果在第一個stop bit就偵測出framing error，會直接去設立framing error旗標，然後第二個stop bit就不會拿來偵測framing error了。RXNE會在第一個stop bit結束採樣時被設立。


資料的接收
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 - 在USART接收期間，RX從資料最低有效位元(least significant bit)開始接收，因此在此模式中，USART_DR和received shift register之間包含一個緩衝器(RDR)。


接收器的設定
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.. image:: /usart_recevier.png


   1. 設定USART_CR1的UE為1來啟動USART接收，如圖中的(a)
   2. 設定USART_CR1的M決定資料長度，如圖中的(b)
   3. 設定USART_CR2的STOP來決定停止位元的長度，如圖中的(c)
   4. 若需要採用多重緩衝器接收資料，則須設定USART_CR3的DMAR啟動DMA，並按照多重緩衝器的章節內容去設定DMA，如圖中的(d)
   5. 利用USART_BRR設定baud rate，如圖中的(e)
   6. 設定USART_CR1暫存器中的RE，此動作會啟動接收器並開始偵測起始位，如圖中的(f)

當資料被接收到後:
   1. 硬體會設定RXNE位，表示received shift register中的資料已移入RDR中，亦即資料已被接收並可被讀出(也包含了已經偵測到的錯誤)，如圖中的(g)
   2. 若USART_CR1中的RXNEIE被設定時，會產生一個中斷，如圖中的(h)
   3. 資料接收期間如檢測到frame錯誤或是噪音、溢出錯誤等問題，相關的標誌將被設定(FE、NF、ORE)
   4. 若使用多重緩衝區模式，RXNE在每個字元接收後會被設置，並在DMA讀取RDR之後被清除
   5. 在一般模式(單緩衝區)下，藉由軟體讀取USART_DR可清除RXNE，也可以直接對RXNE寫入0。RXNE一定要在"接收下一筆資料"這個動作結束前被清除，以免產生溢出錯誤


接收斷開符號
------------------------------------
 - USART在接收斷開符號後，該符號處理流程等同framing error。


接收空閒符號
------------------------------------
 - 當空閒符號被偵測到時，該符號處理流程等同一般資料，但如果USART_CR1的IDLEIE被設置時，還會產生一個中斷

接收器對時鐘誤差容忍度
-------------------

必須要使整個時脈系統的時鐘誤差處於USART接收器的容許範圍內，USART接收器才能夠正常運作。時脈系統的誤差來源有以下幾種: 
   - DTRA: 傳送器的誤差(Deviation due to TRAnsmitter error)。這誤差也包含了傳送器本身的時脈誤差。
   - DQUANT: 接收器的baud rate量化出錯(Devation due to baud rate QUANtization of the receiver)
   - DREC: 接收器的時脈誤差(Deviation due to RECeiver's local oscillator)
   - DTCL: 資料傳輸線的錯誤(Deviation due to Transmission Line)。通常起因於傳輸器，在傳輸資料時，從高電位轉至低電位、或從低電位轉至高電位，在電位轉換期間出現時間誤差。

總體而言: DTRA + DQUANT + DREC + DTCL < USART接收器的容許上限

USART接收器的對於時脈誤差的容許上限，取決於下列選項: 
   - USART_CR1的M，可決定使用10/11資料位元。
   - USART_CR1的OVER8，可決定使用8/16 oversampling方法。
   - 是否有使用fractional baud rate
   - USART_CR3的ONEBIT，可決定使用單一採樣點或是三個採樣點。

10種中斷
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 – CTS改變(CTSIE, CTS interrupt enable)

 – LIN中斷檢測(LBDIE, LIN break detection interrupt enable)

 – 傳送緩衝區空(TXEIE, Data buffer empty interrupt enable)

 – 傳送完成(TCIE, Transmission complete interrupt enable)

 – 接收緩衝區滿(RXNEIE, Data buffer not empty interrupt enable)

 – 空閒線路檢測(IDLEIE, Idle interrupt enable)

 – 溢出錯誤(Overrun error)

 – Frame錯誤(Framing error)

 – 噪音錯誤(Noise error)

 – 檢驗錯誤(Parity error, PEIE)

3個傳輸檢測標誌
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 – 接收緩衝區滿(RXNE,Data buffer not empty)

 – 傳送緩衝區空(TXE,  Data buffer empty)

 – 傳輸結束(TC,  Transmission complete)


4種錯誤檢測
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溢出錯誤(Overrun error)
------------------------------------
 - 在RXNE沒有重設為0的情況下，此時又接收到一筆新資料，則會發生溢出錯誤，如圖中的(i)。在RXNE沒有被清除時，資料將無法從Received shift register轉入RDR。
 - 在一般情況下，本身不產生中斷，在DMA情況下，則由EIE產生中斷，經檢驗USART_SR的ORE可得知溢出錯誤

當溢出錯誤產生時:
   1. USART_SR中的ORE將被設定為1，如圖中的(j)
   2. RDR中的內容不會被清除，因此讀取USART_DR仍可以得到之前的資料
   3. Received shift register中的資料將被覆蓋。覆蓋完之後，在接下來overrun錯誤發生的過程中，所有接收到的資料都會遺失。
   4. 如果RXNEIE被設為1，或是EIE(Error interrupt enable)和DMAR被為1，則會產生一個中斷，如圖中的(k)
   5. 依序讀取USART_SR和USART_DT暫存器，可清除ORE

**當ORE位被設置時，表示至少有一個資料已遺失，有以下兩種可能性: **
   1. 如果RXNE=1，表示之前的資料還在RDR中，且可被讀出
   2. 如果RXNE=0，表示之前的資料已被讀走，RDR已無資料可被讀取。若正在讀取RDR中的上一筆資料，而讀取時又接收到新的資料(這筆新的資料會遺失)，就會發生這種情況。另一種情況是正在讀取USART_SR以及USART_DR的過程中，有新的資料被讀進來(但這筆資料會遺失)，這也會導致相同結果。


噪音錯誤(Noise error)(select the proper oversampling method)
-----------------------------------------------------------

 - 接收器具備不同oversampling方法供使用者選擇(但在同步模式不可選擇)，此方法可以區分有效資料以及噪音，並修復已接收到的資料。
 - 在一般情況下，本身不產生中斷，而由RXNE產生中斷，經檢驗USART_SR的NF得知錯誤
 - 在DMA情況下，則由EIE產生中斷，經檢驗USART_SR的NF得知錯誤

設定USART_CR1中的OVER8，即可選擇16個或8個baud clock的採樣，見Fig. 250和Fig. 251:
   - OVER8 = 1: 使用8次採樣可以達到更高速的資料傳輸(最高速為fPCLK/8)，相對地接收器會沒辦法容許太多的時脈誤差。
   - OVER8 = 0: 使用16次採樣，則接收器可容許較多的時脈誤差，但傳輸速率會被限制於fPCLK/16

設定USART_CR3中的ONEBIT，可選擇不同的噪音評估法:
   - ONEBIT = 0: 採樣資料中心的3個bits，若此3 bits不完全相等，則NF會被設定為1。適合用於容易產生噪音訊號的環境，如果偵測到有噪音(NF=1)，會把該次收到的資料拋棄，因為NF=1代表採樣過程中可能有產生突波、干擾訊號等。
   - ONEBIT = 1: 只採樣資料中心的單一bit，此時NF就絕對不會被設定。適合用於沒有噪音訊號的環境，並且讓接收器容許更多的時脈誤差。

若在資料接收過程中檢測到噪音時:
   - NF會在RXNE升緣時被設定
   - 該次無效資料會從received shift register移入USART_DR
   - 在單一byte通訊模式不會直接產生中斷，而是在NF被設定為1時(此時RXNE會一併設定為1)，由RXNE來產生中斷；使用多重緩衝器模式時，如果USART_CR3暫存器中的EIE被設定為1，則會產生一個中斷

.. image:: /oversampling16.png

.. image:: /oversampling8.png

.. image:: /noisedetection.png

.. image:: /noisedetectionsampledata.png


Frame錯誤(Frame error)
------------------------------------

 - 起因於傳輸端/接收端沒有同步、或者傳輸線路上有大量的噪音，使得stop bit沒有在預期的時間內被識別出來。
 - 在一般情況下，本身不產生中斷，而由RXNE產生中斷，經檢驗USART_SR的FE可得知Frame錯誤
 - 在DMA情況下，則由EIE產生中斷，經檢驗USART_SR的FE得知錯誤


當Frame錯誤被檢測出時:
   1. FE位被硬體設定為1，如圖中的(l)
   2. 無效的資料從received shift register移入USART_DR中
   3. 在單一byte通訊模式不會直接產生中斷，而是在NF被設定為1時(此時RXNE會一併設定為1)，由RXNE來產生中斷；使用多重緩衝器模式時，如果USART_CR3暫存器中的EIE被設定為1，則會產生一個中斷，如圖中的(k)

依序讀取USART_SR和USART_DR暫存器可恢復FE至0

奇偶檢測CONTROL(Parity error)
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 - Parity control是用來確保傳輸資料的正確性。其原理是在傳輸端產生一個parity bit，然後在接收端可以重新計算parity bit以確保在傳輸過程沒有發生錯誤。
 - 在STM32，它可以透過設定USART_CR1 register的PCE bit來打開。STM32的frame長度是由M bit所決定，所以USART的frame有以下這些可能格式：

.. image:: /frame_formats.png

parity依算方式的不同分成兩種方式，even parity和odd parity

 - Even parity
    - 如果一個frame內1的數量是偶數，則在 even parity的情況下會把parity bit設為0。

    - E.g.: 假設 data=00110101; 因為有 4 bits被設為1，而且我們選擇的是 even parity(PS bit in USART_CR1 = 0)，所以 parity bit被設為0。

 - Odd parity

    - 如果一個frame內1的數量是奇數，則在 odd parity的情況下會把parity bit設為0。

    - E.g.: 假設 data=00110101; 因為有 4 bits被設為1，而且我們選擇的是 odd parity(PS bit in USART_CR1 = 1)，所以 parity bit被設為1。

 - 接收後會做 parity checking
    – 對接收的資料進行檢測(Checks parity of received data byte)

    - 如果 parity check 失敗了，USART_SR register的PE flag會被設立，然後如果USART_CR1 register的PEIE bit也有被設立的話，還會產生中斷。

    - PE flag最後在軟體執行(a read from the status register followed by a read or write access to the USART_DR data register)時被清除。


 - 傳送前會做 parity generation

    – 發送檢測位(Transmits parity bit)

    - 如果USART_CR1的PCE bit被設立，那麼MSB會被改成parity bit（PS=0 是even parity, PS=1 是odd parity）

       - MSB: Most Significant Bit，代表位數最大的那個bit

       - LSB: Least Significant Bit，代表位數最小的那個bit

鮑率的設定
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 - 接收器和傳送器的Baud rate分別由USART_BRR設置USARTDIV的整數部分(Mantissa)及小數部分(Fraction)，計算方式如下所示:

.. image:: /baud.png
Ref: `RM0090 Reference Manual P.959<http://www.st.com/web/en/resource/technical/document/reference_manual/DM00031020.pdf>`_

其中USARTDIV為一個無號的定點數(unsigned fixed point number)，fCK為給周邊設備的時鐘。

   - 當OVER8 = 0 時，小數部分佔USART_BRR的DIV_Fraction[3:0]，共 4 bits
   
   - 當OVER8 = 1 時，小數部分佔USART_BRR的DIV_Fraction[2:0]，共 3 bits，其中DIV_Fraction[3]應該保持'0'

**USART_BRR被更新後，baud rate的計數器中的值也會同時被更新，因此在傳輸途中不應該更新USART_BRR中的值。
  另外，如果TE或RE被分別禁止，則baud rate的計數器也會停止計數**

使用stm32f407vgt6官方lib時，會透過檔案中設定的時脈和baud rate去換算出USART_BRR的值，包含整數與小數部分。.

   - BRR(USARTDIV) 的值 Mantissa = 0x088B ; Fraction = 0x08 =>計算方式 0x88B->0d2187 + 8/16 = 2187.5

if over8=0 計算baud rate的方式: baud rate = usart時脈/(8 * (2-over8) * DIV).
 
   - usart時脈42Mhz, baud rate = 42000000/(8 * 2 * 2187.5) = 1200

usart是接在APB BUS上方，stm32f407vgt6有兩組APB各對應不同usart。usart時脈要看APB供應的時脈，
APB時脈要透過RCC和PLL設定去看clock tree。.

   - 預設stm32f4-discovery這塊板子外部震盪器(HSE_VALUE)是8Mhz(官方lib好像設定成25Mhz)。.
   - 8Mhz透過pll_M(8)除頻輸入PLL =>8Mhz/8=1Mhz.
   - 1Mhz輸入PLL,透過pll_N(0x5400)倍頻再透過pll_P(2)除頻，作為sysclk => (1Mhz * 0x5400>>6)/2 = 168Mhz.
   - sysclk轉接HCLK都是168Mhz.
   - HCLK>>2轉給PCLK1 => 168Mhz>>2 = 42Mhz.

多處理機通訊
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 - 除了一對一通訊之外，也可以將許多USART串成一個小型網路(multiprocessor communications)。
 - 在這些USART中，可以選出一個USART作為master，其餘的就做為slave。而master的TX會連到所有slave的RX，所有slave的TX則會連接到邏輯AND後，再連接至master的RX。

在多處理機通訊模式下，我們會希望只把訊息傳給該知道的機器就好，如此一來能夠減少不必要的傳輸動作(把資料也傳給其他機器)。

沒接收到資料的機器，可以用mute功能使該機器進入mute模式，在mute模式下的機器行為: 
   - 無法變更接收器的任一個status bit
   - 與接收器相關的interrupt會停用
   - USART_CR1的RWU會被設定為1。RWU可被硬體自動控制，或是在某些限制條件下用軟體變更。

若要使機器離開mute模式，可以用下列兩種方式的其中一種，端看使用者如何設定USART_CR1的WAKE
   - 若WAKE被設定為0，機器進入idle line偵測
   - 若WAKE被設定為1，機器進入address mark偵測

Idle line detection(WAKE=0)
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 - 在接收端處於靜默(mute mode)時，可透過發送空閒符號(即所有位均為'1'的資料)，喚醒接收端。

 - 若RWU被設定為1，則USART進入mute模式。

 - 如果在mute模式時偵測到Idle frame，則機器會醒過來並進入一般USART模式。此時RWU會被硬體清除(=0)，但是USART_SR的IDLE不會被設定為1。

 - RWU也可以用軟體設定成0。

.. image:: /embedded/USART_pic303.jpg

Address mark detection(WAKE=1)
------------------------------
 
 - 在此模式下，如果接收到的資料位元，其MSB是1，就會被當成位址，若MSB為0，則當成一般資料。在位址資料(1 byte)中，最後4個LSB是放接收者的位址，而接收到這筆資料的機器會拿自己的USART_CR2的ADD(放該機器的位址)與這4個LSB做比較，若相同則清除RWU位，後面的資料將能正常接收。

 - 如果接收到的位址資料，比較之後與自己的位址不相符，該機器就會進入mute模式。此時RWU會被硬體設定為1，而RXNE不會被設定成1(即使有收到位址資料)、沒有interrupt產生、也沒有對DMA送出請求，因為機器已經進入mute模式。

 - 如果接收到的位址資料與自己的位址相符，該機器會回到一般USART模式。此時RWU會被清除，其餘的資料也會按順序被接收進來，而RXNE也會因為RWU被清除的關係，被設定為1(因為收到位址資料，而且是與自己的位址相符)。

 - 在接收器的緩衝區沒有資料時(USART_SR的RXNE為0)，可以對RWU寫入0或1。有資料時，對RWU的寫入動作一律不承認。

.. image:: /embedded/USART_pic304.jpg

STM32 USART的MODE
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LIN(local interconnection network) mode
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 - LIN(local interconnect network)，車載網路的一種，用於連接車內電子設備(電動車窗、座椅控制等簡單的設備)。原先已有為了車載網路而開發的CAN協定(Controller area network)，但將其拿來控制低階設備，不符經濟效益(太貴)，所以在1990年代五家車商(BMW、Benz、Volvo、VW & Audi)聯合開發了此協定。LIN可用單一master連接16個slave，傳輸速率最高為19200 baud。好處是能夠降低成本、不用授權費、易於使用、也易於開發衍生設備。

 - 在USART被硬體設定為LIN模式時，提供13bit break產生器以及10/11bit break偵測器。
  
若要啟用此模式，須設定USART_CR2的LINEN為1，而下列設定必須要設定為0: 
   - USART_CR2的STOP[1:0](有兩個位元)以及CLKEN
   - USART_CR3的SCEN、HDSEL、IREN

LIN傳送器
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以master來說，與一般USART傳送器具有相同的流程(請參閱傳輸器章節)。只是要按照下列方法做設定:
   - USART_CR1的M要設定為8 bit資料長度
   - USART_CR3的LINEN要設為1。而USART_CR3的SBK要設定為13 bit。送出break之後要再送出一個1，才能讓接收器開始偵測start bit。

LIN接收器
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 - 在USART接收器介面有特別設計一個break偵測電路，與一般資料的接收電路區隔開來。不管USART處於甚麼狀態(Idle或是正在接收資料frame)，都能夠偵測到break。

 - 當USART_CR1的RE設定為1時(接收器開啟)，接收器電路就會從RX查看是否有start bit進來，偵測break或是資料也是用這個方法。如果偵測到start bit，也用相同的採樣方式(針對第8, 9, 10採樣點做偵測)去偵測訊號是否有雜訊。如果第10個(USART_CR2的LBDL=0)或第11個(USART_CR2的LBDL=1)收到的bit為0，且隨後跟著一個分隔符號，USART_SR的LBD會被設立，此時如果LBDIE的設定為1，就會發出interrupt。在驗證一個break之前，會先確保有收到分隔符號(代表RX已經回到高電位狀態)。

 - 偵測break時，若在收到足量的0之前卻收到1，則偵測電路就會取消break偵測，並去偵測start bit。

 - 如果LINEN設定為0，接收器會變成一般的USART接收器，也就是不去偵測break符號。

 - 若開啟了LIN模式，當framing錯誤發生時(收stop bit時卻收到0，有可能是收到break了)，接收器會停止，直到break偵測迴路收到1(確認不是收到break)，或是收到break後也收到分隔符號(確認收到break)。

.. image:: /embedded/USART_pic305.png


單線半雙工模式
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若要啟用單線半雙工模式(Single-wire half-duplex communication)，可以設定USART_CR3的HDSEL為1。而下列設定必須要設定為0:
   - USART_CR2的LINEN、CLKEN
   - USART_CR3的SCEN、IREN

USART可以設定成遵循單線半雙工協定，而TX和RX在內部結構來看是相連在一起的。USART_CR3的HDSEL可以選擇是要全雙工還是半雙工。

當HDSEL被設定為1的那刻起:
   - TX和RX在內部結構會變成相連的
   - RX腳位不會被使用
   - 只要沒有資料傳送，TX腳位都是處於釋放狀態，所以會變成一般的標準I/O腳位，處於Idle狀態或是等待接收。當TX腳位沒有被USART使用時，此腳位應該要設定為I/O使得TX成為floating input，或是成為高電位輸出的open-drain。

除了以上的敘述之外，此模式的通訊過程都與一般的USART沒甚麼不同，只是這條線的使用權必須要由軟體決定(mutex之類的)。
另外，傳輸的觸發絕對不會被硬體擋住，而且只要有資料被寫入data register(USART_DR)且TE=1時，就會立刻觸發傳輸，並將資料送出。



智慧卡模式
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 - Smartcard mode在ISO7816-3標準中，Smartcard介面可支援非同步傳輸。

.. image:: /smart_card.jpg

.. image:: /embedded/USART_SmartCardPin.jpg

若要啟用，須設定USART_CR3的SCEN。另外，下列暫存器一定要清空: 
   - USART_CR2的LINEN
   - USART_CR3的HDSEL以及IREN

使用此模式時，也可考慮設定CLKEN以提供時脈給smartcard。

若要使用Smartcard模式，USART應設定為: 
   - 8 bit以上檢測位元: 在USART_CR1中，M以及PCE應設定為1。
   - 1.5 stop bits: 傳輸/接收時會需要。在USART_CR2中，STOP應設為11。

不過，也可以設定為0.5 stop bit，但建議是1.5，避免在使用smartcard模式時，額外對此設定做轉換。

.. image:: /parity_smartcard.png

當連接到Smartcard時，USART的TX被使用為雙向溝通，並與Smartcard共用。TX腳位一定要設定為open-drain。

 - Smartcard是單線半雙工的通訊協定: 

    - 從transmit shift暫存器傳輸資料時，會被延遲至少1/2 baud clock。在一般模式(USART)，一個裝滿資料的transmit shift暫存器，會在遇到下一個baud clock邊緣時開始動作(shift)。但是在Smartcard模式，遇到baud clock邊緣時，還會再延遲一些時間(1/2 baud clock)才開始傳送。

    - 使用0.5或1.5 stop bits時，若在接收資料frame時遇到檢測錯誤(parity error)，接收端RX完成接收時，TX那條線會拉低電位長達一個baud clock，然後才開始下一次的資料傳送。這個動作是為了告知Smartcard資料在傳送給USART的過程中，資料沒有正確地被接收。這種訊號稱作NACK，並且產生此訊號時會讓TX端產生framing error(使用1.5 stop bits時)。此種應用可以依據通訊協定的規則進行資料重送。另外，當NACK control bit被設定為1時，RX端偵測出檢測錯誤時會送出NACK訊號，否則就不傳送。

    - TC旗標的設立，可藉由設定Guard Time暫存器來延遲設立的時間。在一般模式(USART)下，若transmit shift暫存器是空的，而且沒有額外的傳送要求時，TC旗標會立即被設立。但在Smartcard模式，在transmit shift暫存器是空的時候，此暫存器會先觸發Guard time counter，並且在Guard time暫存器中計數到一定數值後(由使用者設定)，TC旗標才會被設立。在計數的過程中，TC旗標維持低電位，而TC旗標的取消動作與一般模式相同。

    - 若在TX端偵測到framing error(因RX傳送NACK)，此NACK訊號不會被TX端的接收區偵測為start bit。依據ISO協定，此NACK訊號長度可為1 or 2個baud clock。
    - 如果在RX端偵測到檢測錯誤(parity error)並且NACK訊號已經送出，則NACK的接收者(TX)不會把此訊號當成start bit。

    - break符號在Smartcard模式中其實不重要。一個0x00相連一個framing error，會被當作一個資料而不是一個break。在觸發TE bit時，不會傳輸Idle frame。雖然Idle frame在其他種設定中有被定義、使用，但在ISO協定中沒有被定義。


紅外線編碼模式
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Ref: `RM0090 Reference Manual P.979<http://www.st.com/web/en/resource/technical/document/reference_manual/DM00031020.pdf>`_

若要使用此模式，則必須設定USART_CR3的IREN為1，而下列設定必須要設定為0: 
   - USART_CR2的LINEN、STOP、CLKEN
   - USART_CR3的SCEN、HDSEL

IrDA SIR實體層使用Return to Zero, Inverted調變法(RZI modulation)，將邏輯0表示成紅外線脈衝訊號。

SIR(slow Infrared)編碼器(傳輸端)會從USART將資料調變成non return to zero(NRZ)資料流，並將此資料流送至紅外線LED以及LED驅動器。雖然IrDA可以支援多種傳輸速率，但是USART-IrDA最快速率只有支援至115.2Kbps(因STM32f429使用SIR ENDEC，而SIR支援速率為9.6-115.2Kbps，亦可稱為9600-115200 baud rate)。在一般USART模式下，傳輸的脈衝訊號寬度為3/16 bit period。

SIR解碼器(接收端)會從紅外線接收器收取return to zero訊號，並將之解調變成non return to zero(NRZ)資料流，接著送到USART做處理。解碼器在Idle state時通常為高電位，而編碼器與解碼器的極性通常是相反的。在解碼器收到低電位訊號時，代表已經收到了start bit了。

.. image:: /irda.PNG

   - IrDA是個半雙工通訊協定。若傳送器TX正在忙碌(USART傳送資料給IrDA編碼器)，在IrDA接收端上的所有資料會被解碼器忽略。反之，若接收器正在忙碌(IrDA解碼器傳送已解碼的資料給USART)，在USART_TX上要傳給IrDA編碼器的資料，不會被IrDA編碼器處理。所以接收資料時，盡量避免有任何傳輸的動作，因資料可能會毀損。
   - 邏輯0會被傳輸成高電位訊號，而邏輯1會被當成0來傳輸(見下圖)。在一般模式下，脈衝訊號寬度由3/16 bit period決定。

.. image:: /normal_mode.PNG

   - SIR解碼器會將IrDA相容訊號轉換成USART資料流。編碼器則是相反行為。
   - SIR接收器會將高電位轉換成邏輯1，低電位轉換成邏輯0。傳送器則是相反的。
   - 解碼器的輸出值，會與接收器的輸入值擁有相反極性(理由同上)。SIR輸出端處於Idle state時，輸出低電位。
   - IrDA規定可接收的脈衝週期必須要大於1.41us，不過這週期可以由使用者設定。在接收端會有一個判斷邏輯glitch detection，若該次脈衝週期小於2個PSC，則把該次脈衝過濾掉。(PSC: prescaler value，分頻器的值，定義於IrDA低功率baud暫存器，USART_GTPR)。不過，若脈衝週期小於1個PSC，一定過濾掉。至於脈衝週期介於1-2個PSC之間的，可以選擇是否要過濾。大於2個PSC的脈衝週期就會接收。若PSC設定為0(手冊有說不可以設定這個值)，則編碼器和解碼器都不會啟用。
   - 接收器可與低功率傳送器溝通。
   - 在IrDA模式下，USART_CR2的STOP一定要設定為1。


IrDA 低功率模式
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傳送器:
   - 使用低功率模式時，脈衝的發送並非在3/16 bit period，而是低功率baud rate*3，至少為1.42MHz。通常此值為1.8432MHz(1.42MHz < PSC < 2.12MHz)。為了要達到此值，低功率模式下的除法器會把系統時脈強制降到這個值or區間。

接收器:
   - 低功率模式的接收與一般模式相去不遠。此模式的glitch detection會把小於1個PSC的脈衝過濾掉。有效脈衝的判別，是當脈衝週期大於2個PSC時才會被接收(2 * IrDA低功率baud clock，USART_GTPR的PSC)

接收器的開機時間應該由軟體決定。另外，在接收與傳輸的動作之間，應該要加入至少10ms的延遲，因為IrDA是半雙工協定。


直接記憶體存取(DMA)模式
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Ref: `Using The DMA controller on STM32<http://www.mind-dump.net/using-the-dma-controller-on-stm32f4>`_

USART可以使用DMA達到連續通訊的效果，不過DMA會個別對於RX和TX緩衝器送出請求。

Transmission using DMA
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.. image:: /tx_uart_dma.png

若要啟用DMA模式，要在USART_CR3把DMAT啟用。在TXE bit被設立時，資料會先從SRAM(要先由DMA周邊設定，請參考DMA說明手冊)載入到USART_DR暫存器。在系統保留的SRAM，TX/RX的資料緩衝使用集中型DMA。

如果要把DMA通道對應給USART傳送器，請使用下列流程:

   1. 把USART_DR暫存器的位址寫到DMA控制暫存器中，以設定待傳資料的終端地點。在每次TXE被觸發的時候，資料都會從記憶體中搬到這個位址。
   2. 把記憶體位址寫到DMA控制暫存器裡面，以設定待傳資料的來源。在每次TXE被觸發的時候，資料都會從這個記憶體區段搬到USART_DR。
   3. 在DMA控制暫存器中，設定要傳的資料總量(bytes)。
   4. 在DMA暫存器設定通道的優先順序。
   5. 按照程式需求，設定在傳輸一半/全部資料後，是否產生DMA interrupt。
   6. 清除SR暫存器中的TC(寫入0)。
   7. 啟動DMA暫存器中的通道。

如果傳輸的資料總量，已經達到DMA控制暫存器內設定的上限時，DMA控制器會在DMA通道interrupt vector上產生interrupt。

在傳輸模式下，只要DMA把所有該傳的資料都傳完時(此時在DMA_ISR的TCIF旗標會設立)，TC旗標可以用於監控USART是否已經完成通訊。這步驟是為了避免在最後一次資料尚未傳完時，把USART關掉或是進入Stop模式。程式一定要等到TC=1才可以進行後續的動作。在傳輸資料時，TC旗標會一直維持清除狀態(=0)，只有在最後一次資料frame傳輸結束時，TC旗標才會被硬體設立。


Reception using DMA
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.. image:: /rx_usart_dma.png

DMA模式也可以用於接收資料，須設定USART_CR3的DMAR。只要收到任何一個byte時，該次資料會從USART_DR載入至SRAM(要先由DMA周邊設定，請參考DMA說明手冊)。如果要把DMA通道對應給USART接收器，請使用下列流程:

   1. 把USART_DR暫存器的位址寫到DMA控制暫存器中，以設定待傳資料的來源。在每次RXNE被觸發的時候，資料都會從這個位址搬到記憶體中。
   2. 把記憶體位址寫到DMA控制暫存器裡面，以設定待傳資料的終端地點。在每次RXNE被觸發的時候，資料都會從USART_DR搬到這個記憶體區段。
   3. 在DMA控制暫存器中，設定要傳的資料總量(bytes)。
   4. 在DMA暫存器設定通道的優先順序。
   5. 按照程式需求，設定在傳輸一半/全部資料後，是否產生DMA interrupt。
   6. 啟動DMA暫存器中的通道。

如果接收的資料總量，已經達到DMA控制暫存器內設定的上限時，DMA控制器會在DMA通道interrupt vector上產生interrupt。在interrupt subroutine時，USART_CR3的DMAR應該要由軟體去清除。

另外，如果要把DMA用於接收，就不可以啟用RXNEIE。


多重緩衝區中的Error flagging and interrupt 
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若在多重緩衝區的情況下，在傳輸/接收過程中發生了任何錯誤，在該次byte傳完後會立即設立error旗標。另外，如果有任何interrupt enable旗標被設立，error設立完之後還會再產生interrupt。以framing error、overrun error和噪音旗標(另外與RXNE搭配使用，因為可能有單一byte接收的情況)來說，每個都有各自獨立的interrupt enable旗標(USART_CR3的EIE)。如果發生任何一種錯誤，在傳完該次byte之後會立即產生interrupt。在interrupt章節會提到這些interrupt enable之間的關係。

HARDWARE FLOW CONTROL(modem modes)
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USART亦可模擬RS-232通訊。RS-232原本的設計用意，是讓電腦能對數據機、印表機、資料儲存裝置等電腦周邊設備做資料交換。但是RS-232的缺點較多(接孔過大、設備能源消耗太快、資料傳輸速率低)，目前的電腦漸漸都淘汰掉這種接孔，並用USB-RS232轉換器做為替代。現今RS232介面則廣泛使用於工業設備、科學儀器及網路設備。

USART使用modem modes時，會變成雙線半雙工通訊(UART)。通訊流控制則由RTS-CTS負責，也因此同時間點只能有一方傳送資料。

利用nCTS跟nRTS控制TX、RX是否再傳送或接收data。
可個別設定USART_CR3的RTSE以及CTSE為1，藉此允許RTS或CTS flow control。

.. image:: /hardware_control_2usarts.png

RTS Flow Control
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 - 如果開啟RTS flow control(要把RTSE設為1)，nRTS會被拉至低電位，直到USART接收器準備好要接收下一筆資料才會拉高。如果接收器的暫存器滿了，會先把nRTS拉至高電位，告知另外一端的傳送器在傳完這個資料frame之後，應該要停止傳送資料。

.. image:: /rst_flow_control.png

CTS Flow Control
-----------------------

如果開啟CTS flow control(要把CTSE設為1)，在傳送器要傳送下一筆資料frame之前，會先去檢查nCTS是否有值輸入。如果nCTS被拉至低電位，那麼下一筆資料會立即被送出(假設資料已經先在Transmit Data Register準備好了，也可說成TXE=0)，否則不會進行傳送。如果在傳送資料的過程中，nCTS被拉至高電位，那麼會先把剩下該傳的資料先傳完，再停止傳送。

如果CTSE被設定為1，那麼在nCTS有值輸入時，CTSIF狀態會自動地被硬體設立，表示該時間點接收器是否已準備好下一次的通訊。若有開啟USART_CR3的CTSIE(=1)，則會產生interrupt。

另外，在開啟CTS flow的情況下，傳送器在送出break時不會去檢查nCTS的狀態。

.. image:: /cst_flow_control.png

Oversampling
.................

定義：在訊號處理中，oversampling 是以取樣頻率大於Nyquist rate的取樣訊號處理。因此取樣頻率高於Nyquist rate，即可讓有限的頻寬完美重現。

目的： 可用於改善 影響解析度、減少雜訊和避免aliasing

.. image:: /embedded/oversampling_tmmg.jpg


USART 與 SPI之關係
.................

 - SPI：它是主從式的架構，通常一個主設備和多個從設備，由四條信號線組成：SCLK、MISO、MOSI、CS

    - MOSI：master output, slave input，主設備輸出

    - MISO：master input, slave output，主設備輸入

    - SCLK：serial clock，clock信號，由主設備產生

    - CS：chip select (optional)

 - USART在全雙工的模式(特別是同步模式)下，也有類似的訊號

    - TX：傳送訊號給周邊

    - RX：週邊設備傳送給主設備的訊號

    - SCLK：由主設備產生的clock訊號

以上是兩者有類似的地方

RS-232收發器-MAX232
...................
 - MAX232晶片是美信（MAXIM）公司專為RS-232標準串口設計的介面電路，屬於+3.0V to +5.5V RS-232 收發器，收發器採用專有的低壓差發送器輸出級，利用雙電荷泵在3.0至5.5V單電源供電時能夠實現真正的RS-232功能，MAX232是一個雙RS-232驅動器/接收器且可以從單一的+5V電源產生RS-232電位(voltage level)(充電泵可轉換+5V為 ±10V)，假設我們要用RS232來進行PC(serial port) 與微處理器間的溝通，就要用MAX232來處理訊號電位轉換的功能，方便微處理器處理轉換後的訊號。
 - 其包含兩個驅動器和兩個接收器，功耗僅40mW 且傳輸速率可以達120Kbps。

.. image:: /MAX232_pin.png

MAX232 內部結構
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雙電荷泵轉換器電路 (DUAL CHARGE PUMP CONVERTERS)
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    - 由1、2、3、4、5、6腳和4個電容構成。功能是產生+10V和-10V兩個電源，提供給RS-232串口電位。

    - 第一階段，電容 C1的電壓提昇兩倍到 +10V並儲存在電容器 C3和V+ output。

    - 第二階段，電容 C2將 +10 V的反向變成 -10V並儲存在電容器 C4和V- output。

    - MAX232運作與的電荷泵電容可低至 0.1μF，若使用更大的電容（最多10μF）可以用來降低電源紋波(voltage ripple)。

電源紋波(voltage ripple)

成因是因為一個直流電壓大多時是通過交流電壓整流、濾波而來，濾波若不乾淨則會使交流成分疊加在直流穩定分量上，另外電池的直供電也會因負載的波動而產生波紋。

.. image:: /MAX232_ripple2.jpg

數據轉換通道
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 - 由7、8、9、10、11、12、13、14腳構成兩個數據通道。

 - 13腳（R1IN）、12腳（R1OUT）、11腳（T1IN）、14腳（T1OUT）為第一數據通道。

 - 8腳（R2IN）、9腳（R2OUT）、10腳（T2IN）、7腳（T2OUT）為第二數據通道。

 - TTL/CMOS訊號從11引腳（T1IN）、10引腳（T2IN）輸入轉換成RS-232數據從14腳（T1OUT）、7腳（T2OUT）送到電腦DB9插頭；

 - DB9插頭的RS-232數據從13引腳（R1IN）、8引腳（R2IN）輸入轉換成TTL/CMOS訊號後從12引腳（R1OUT）、9引腳（R2OUT）輸出。

 - 內有的兩組RS232驅動器/接收器和電荷泵可以產生RS232電位，內部各有一個400 KΩ的pull up電阻，可以將未使用的驅動器拉至高電位，因有雙極性的特點，所以輸出邏輯電位會是low，若是在shutdown/power-off模式下驅動器/接收器無法上拉電壓，但是會進入高阻抗狀態，如此可以降低漏電流(最大25μA)，避免過載(overload)情形發生。

上拉電阻(Pull-up resistors):在驅動電路時，當輸入過低，可以用一個上拉電阻透過接到較高的電位將電壓訊號拉至高電位，對輸入端而言，看起來就是高阻抗，如果成功驅動，則取消上拉電阻的使用。通過這樣，上拉電阻可以使pin腳在未連接外部組件時也能保持正確的邏輯電位。

舉例來說:當TTL電路驅動CMOS電路時，如果TTL電路輸出的高電平低於CMOS電路的最低高電平（一般為3.5V），這時就需要在TTL的輸出端接上拉電阻，以提高輸出高電位的值。

下拉電阻(Pull-down resistors):原理相同於上拉電阻，但其是與GND連接，故可以使邏輯訊號保持在接近0V的狀態。

.. image:: /MAX232_waveform2.png

供電
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 - 15腳GND、16腳VCC（+5V）。


USB to UART 橋接器-CP2102 
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CP2102是一個十分完整的USB轉UART橋接器，運用了最小化元件和最少的PCB空間，其中包含了USB2.0的全速電路、USB收發器、振盪器、EEPROM(電子抹除式可複寫唯讀記憶體)、非同步串列資料匯流排。

.. image:: /CP2102.png

 - EEPROM是用來儲存USB供應商ID、產品ID、產品說明、電源參數、裝置版本號、裝置序號，寫入次數壽命為10萬次。

 - UART接口包括TXD、RXD、RTS、CTS、DSR、DTR、DCD和RI控制信號。

 - UART支持RTS／CTS、DSR／DTR和X-On／X-Off作hand-shaking。

.. image:: /CP2102_table.png

handshaking:早期不同的終端設備或電腦以RS232作資訊通訊時，為了確認已建立通訊連結作先作hand shaking，確認後才會開始作資料傳輸。

 - X-ON/X-OFF:是一種用於流量控制的非同步通信協議，舉例來說，電腦傳送資料到印表機的速率明顯大於印表機的列印速度，所以印表機內會有一個buffer用來儲存來不及印的資料，若是在列印結束之前，buffer滿了的話，列表機將會發送一個XOFF的控制字元符號來告訴電腦暫停傳輸，等到buffer空的時候再發出一個XON控制字符到電腦繼續傳輸資料，所以方向皆是接收端傳到傳送端

供電結構
=======
CP2102內部有一個5 to 3V的電壓調節器，如此才能配置成匯流排供電或是自行供電，以下介紹兩種供電配置。

匯流排供電
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 - 裝置可以是由「匯流排供電」(Bus-powered)，也就是從USB連接的介面取電。

.. image:: /CP2102_buspowered.png

 - 匯流排供電情況:會將VBUS與REGIN接通，Vin由VBUS輸入。

自行供電
--------
 - 裝置由USB電源線提供電源，也就是「自行供電」(Self-powered)、或是由電池或外接電源供電。

.. image:: /CP2102_selfpowered.png

 - 自行供電情況(功能由軟體的Boolean flag啟動，True代表使用self-powered):Vin由5V Power net輸入，REGIN和VBUS並不接通。

.. image:: /CP2102_selfpowered_bypassed.png

 - 另外一種self-powered(選擇功能)是若將3V的POWER NET電壓給VDD且將VDD和REGIN接在一起，則可以關掉電壓調節器，不通過其而產生輸出。


最理想的USB 供電方式之一是由匯流排供電，如此一來就不需要再外接電源，但其缺點是在暫停狀態(suspend)下電流最多耗費500μA，若支援遠端喚醒功能則會耗費2.5mA的大電流，所以可攜式裝置大多採用Self-powered。

USB功能控制器/發送器
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USB功能控制器負責管理所有UART及USB間的資料傳輸，和處理來自主機端控制器(host)和UART的控制命令，暫停(Suspend)和恢復(Resume)狀態是用外部電路的方式實現，若是在匯流排上檢測到Suspend訊號，CP2102會進入暫停狀態並送出SUSPEND和SUSPEND*訊號，若是Reset CP2102也會進入暫停狀態，直到USB設定完成。

另外離開暫停狀態的方法有三種:離開完成後SUSPEND和SUSPEND'訊號會被清除

 - 檢測到恢復訊號
 - 收到USB Reset訊號
 - 裝置Reset

注意當Reset時，SUSPEND和SUSPEND'會有暫時的突波電壓，可放置一個10kΩ的下拉電阻在11腳位以保持重啟時低電位。

.. image:: /CP2102_elec.png



STM32 USART Register 總表
................................

Status register(USART_SR)

.. image:: /embedded/USART_SR.jpg

Data register(USART_DR)

Baud rate register(USART_BRR)

Control Register 1(USART_CR1)

.. image:: /embedded/USART_CR1.jpg

Control Register 2(USART_CR2)

.. image:: /embedded/USART_CR2.jpg

Control Register 3(USART_CR3)

.. image:: /embedded/USART_CR3.jpg

Guard time and prescaler register(USART_GTPR)

.. image:: /USART_register.png

CODE SECTION(程式碼實現)
.........................

發送器測試
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Download sample code : 

.. code-block:: c

    git clone https://github.com/wujiheng/stm32f407.git
    cd stm32f407/USART


To compile code

.. code-block:: c

   make 
   make flash    <-- 記得把USB連上去


這裡採用minicom 超級終端機來接收USART字串

.. code-block:: c
   
   ls /dev       <-- 找device，見圖，這裡找到/dev/ttyUSB0

.. image:: /usart-ls-dev.png

.. code-block:: c

   sudo apt-get install minicom
   sudo minicom -s                   <-- 不一定要用root，不過使用者必須要device node 讀寫的權限，-s表進入setup

.. image:: /usart-minicom-setup.png
.. image:: /usart-minicom-device.png
.. code-block:: c

   選擇第三個"Serial port setup"，設定接收的模式及port   
   先按'A'選擇device，並輸入/dev/ttyUSB0(由剛剛的ls /dev)決定

.. image:: /usart-minicom-parameter.png


   再來按'E'設定接收的參數，選擇
.. code-block:: c

   'C' --> Baud rate 9600
   
   'L' --> None parity check

   'V' --> 資料長度 8 bits

   'W' --> 停止位元數 1 bit

   輸入完後按Enter離開

.. image:: /usart-minicom-save.png
  
.. code-block:: c

   回到原本的畫面，選擇 'Save setup as default' ，然後選擇 'Exit from Minicom' 離開

.. image:: /usart-minicom.png

.. code-block:: c
   回到Terminal，重新輸入sudo minicom進入Minicom的畫面

.. image:: /usart-minicom.png


.. image:: /embedded/USART_pin.jpg


.. code-block:: c
   
   按照圖上的接法，白色線接PA2、綠色線接PA3
   ** 白色線為USB的RX所以要接上板子的TX(PA2) ** 
   ** 綠色線為USB的TX所以要接上板子的RX(PA3) ** 
   ** 線材部分使用usb轉ttl轉接線(內部有轉接晶片，將PC usb訊號轉成GPIO腳位的電氣訊號) **
   ** 另外有usb轉rs232 cable線，使用時從stm32板子接出的gpio輸出電訊號0~5V之間，不符合rs232接腳的電氣訊號(+-5V)，須再透過轉接晶片才能正確寫入，否則會出現亂碼 **

此時畫面中的Minicom會顯示出結果，不斷的印出"Init complete! Hello World!"

.. image:: /usart_minicom_results.png

按Ctrl+a，再按x可離開Minicom


**實驗波形圖，採用USBee AX作訊號分析**

.. image:: /usart_wave.jpg

.. image:: /embedded/USART_Oscilloscope.jpg

.. image:: /embedded/USART_Oscilloscope_char_b.jpg

.. image:: /embedded/USART_Oscilloscope_char_c.jpg

接收器測試
======================================

To compile code

.. code-block:: c
   
   // 切換到branch USART_Receive
   git checkout USART_Receive
   
   // 編譯並上傳程式
   make; make flash

.. image:: /usart_minicom_receive.png

.. code-block:: c

   打開Minicom只會看到一行字串

.. image:: /usart_sendfile.png

.. code-block:: c

   接著按下 Ctrl+a 然後按 s 出現Upload選項，選擇最後一項 'ascii'

.. image:: /usart_selectfile.png

.. code-block:: c
 
   找到要發送過去的檔案，按空白鍵選取，按Enter開始傳送

.. image:: /usart_sendsuccess.png

.. code-block:: c

   傳送成功後如圖所示，程式會在接收到資料後，回傳相同的資料

.. image:: /usart_receive_result.png

.. code-block:: c

   印出來的資料應如同檔案中的字串

   
REFERENCE
..................
- `[1]Universal asynchronous receiver/transmitter wikipedia.<http://en.wikipedia.org/wiki/Universal_asynchronous_receiver/transmitter#Special_receiver_conditions>`_

- `[2]STM32F407xx Reference Manual P.946 ~ P.997<http://www.st.com/web/en/resource/technical/document/reference_manual/DM00031020.pdf>`_


- `[3]IrDA and RS-232<http://china.maximintegrated.com/app-notes/index.mvp/id/3024>`_

- `[4]Using The DMA controller on STM32<http://www.mind-dump.net/using-the-dma-controller-on-stm32f4>`_

- `[5]ISO 7816-3<http://www.cardwerk.com/smartcards/smartcard_standard_ISO7816-3.aspx>`_

Q&A
...................

***1.baud rate為何不是2的倍數？幾個baud rate數字的關聯？為何設定會有小數點？***

baud rate 是單位時間內傳輸資訊的個數，單位是bits/sec

最早的發明是用來測量電報傳輸速率，現在用來作為網路兩節點的傳輸速率

常用的有300、1200、2400、9600、115200、19200等bits/sec

這些規格是來自歷史因素，最早的baud rate用在電傳，是75baud

後來每次擴充都是兩倍，75->150->300->600->1200....

而我們為了要得到這個值，必須從系統的clock做分頻，因此要設定USARTDIV

這也是USARTDIV會是小數的原因

***2.為什麼USART可以選擇8 bit/9 bit***

由於歷史因素，所以usart可以選擇8,9bit的傳送

最一開始的ASCII code是使用7 bit來做編碼，而第8個位元常會被拿來做各種應用

像是加上parity bit來驗證資料的正確性

但是當以8為單位的電腦系統興起後，開始用8bit來做傳輸

所以一開始7 bit ASCII code也被擴展為8 bit

***3.為何stop bit有0.5 bit、1.5 bit的設計?***

stop bit其實不算是bit，他是傳輸結束後的一段時間(period)，區隔每個傳輸的資料

它的功用是在非同步傳輸的時候可以告訴receiver資料傳輸已經結束

stop bit有0.5, 1, 1.5, 2bits，共四種

一些比較老的teletype machine可能需要不只一個stop bit

如果stop bit越長，可以增加多一點點的處理時間

另一個原因是長一點的stop bit可以提供長一點的同步時間

若是在環境比較不好的情況下(例如，長距離傳輸)，較長的同步時間會可以有效減少錯誤的發生

不過缺點是會導致throughput的降低

***4.為何取樣是看8,9,10這幾個bit？***

因為8,9,10是在整個start bit的正中間

由於接收端和傳送端的取樣頻率可能會有些微誤差

如果我們在中間取樣，可以容許一定程度的取樣頻率誤差

.. image:: /unmatched clocks.png

`圖片來源<http://electronics.stackexchange.com/questions/42236/uart-receiver-clock-speed>`_