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版本 05b61891d2ecf25559491a550802e6e89eff8d16

embedded/USART

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USART簡介
...................
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,亦支援單線同步傳輸、半雙工單線傳輸、LIN(local connection network)、Smartcard protocol、IrDA(Infrared data association)及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。


USART主要特性
...................

- 全雙工、非同步通訊

- NRZ標準資料格式(Mark/Space)

   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>`_

- 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。

   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。

- 同步傳輸模式下,提供tx的CLK信號

- IrDA SIR 編解碼器

   標準模式可支援3/16 bits區間。

- 可做為Smartcard模擬器

   在ISO7816-3標準中,Smartcard介面可支援非同步傳輸。

   可為Smardcard傳輸模式設定0.5/1.5 stop bits。

- 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。

   在系統保留的SRAM,TX/RX的資料緩衝使用集中型DMA。

- TX/RX都有各自獨立的Enable Bit(TE、RE)

- 傳輸檢測標誌

 – 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)

- 檢測控制

 – 發送檢測位(Transmits parity bit)

 – 對接收的資料進行檢測(Checks parity of received data byte)

- 4個錯誤檢測標誌

 – 溢出錯誤(Overrun error)

 – 噪音檢測(Noise detection)

 – Frame錯誤(Frame error)

 – 奇偶檢測錯誤(Parity error)

- 支援10種中斷

 – 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)

   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_CR1的FE位可得知溢出錯誤

 – Frame錯誤(Framing error)

   在一般情況下,本身不產生中斷,而由RXNE產生中斷,經檢驗USART_CR1的FE位可得知Frame錯誤

   在DMA情況下下,則由EIE產生中斷,經檢驗USART_CR1的FE位得知錯誤

 – 噪音錯誤(Noise error)

   在一般情況下,本身不產生中斷,而由RXNE產生中斷,經檢驗USART_CR1的NF位得知錯誤

   在DMA情況下下,則由EIE產生中斷,經檢驗USART_CR1的NF位得知錯誤

 – 檢驗錯誤(Parity error, PEIE)

- 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

 - Idle line
   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。

 - Address bit
   MSB為'1'的資料被認為是地址,否則為一般資料。

   在這資料中,接收端會將最後4bits與USART_CR2暫存器中的ADD位比較,若相同則清除RWU位,後面的資料將能正常接收。


USART功能介紹
.................................


USART Block Diagram
======================================
.. image:: /usart_block_diagram.png
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。
   - 一組0.5, 1, 1.5, 2 stop bits,用以表示該次frame傳輸完畢。


   - ???????根據USART_CR1暫存器中的M位選擇8或9位元決定資料長度(見圖)

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




USART 特性描述
======================================
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>`_

傳送器
============================
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,資料放入transmit shift register後,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
------------------------------------
在USART發送期間,TX首先傳送資料的最低有效位元(least significant bit),因此在此模式中,USART_DR和transmit shift register之間包含一個緩衝器(TDR)。每個資料再傳送前都會有一個低電位的起始位;之後跟著的停止位元數目,則可由使用者決定0.5, 1, 1.5或2
   - 1 bit的stop bit: 預設的默認停止位位元數
   - 2 bits的stop bit: normal USART, single-wire 和 modem modes
   - 0.5 bits的stop bit: Smartcard mode接收數據用
   - 1.5 bits的stop bit: Smartcard mode發送數據用

**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**


.. image:: /usart_fig298.jpg

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
------------------------------------
.. image:: /usart_transmiter.png

 
 

   1. 設定USART_CR1暫存器的UE位來啟動傳輸,如圖中的(a)
   2. 設定USART_CR1暫存器的M位決定資料長度,如圖中的(b)
   3. 設定USART_CR2暫存器中的STOP位來決定停止位元的長度,如圖中的(c)
   4. 採用多緩衝器的話,則須設定USART_CR3的DMAT啟動DMA,並設置DMA的暫存器,如圖中的(d)
   5. 利用USART_BRR暫存器設定baud rate,如圖中的(e)
   6. 設置USART_CR1的TE位,在第一筆資料傳送前,傳送一個空閒的frame,如圖中的(f)
   7. 將欲發送的資料放入USART_DR中,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)

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中進入transmit shift register,資料的發送已開始
   2. TDR暫存器已被清空
   3. 下一筆資料可放入USART_DR中

若TXEIE位的設置,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該筆資料移進transmit shift register中
   
   - 如果USART沒有在發送資料,則對USART_DR的寫入會把資料直接放入transmit shift register中,並啟動傳送,當傳送開始時,硬體會立即設定TXE位

一個frame的資料發送完畢後,TC位會被設定,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),先讀取USART_SR暫存器,再寫入USART_DR暫存器,則可清除TC位



傳送斷開符號
------------------------------------
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,會再TX線上發送一個斷開符號,當傳送完成後,會由硬體恢復SBK位。

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
------------------------------------
設置USART_CR1的TE位會使得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。



起始位偵測
------------------------------------

.. image:: /usart_fig300.jpg

Ref: `RM0090 Reference Manual P.954<http://www.st.com/web/en/resource/technical/document/reference_manual/DM00031020.pdf>`_

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。

**如果該序列不完整,則接收端退回起始位偵測並回到空閒狀態,等待下一次的電壓下降。**

如果三個採樣點上有僅有兩個是0(第3、5、7採樣點或8、9、10採樣點),則依然判定為偵測到一個起始位,但NE(噪音標誌)會被設定

**採樣的時間間隔**

.. image:: /usart_sampling.png
Ref: `UART receiver clock speed<http://electronics.stackexchange.com/questions/42236/uart-receiver-clock-speed>`_

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


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
------------------------------------

.. image:: /usart_recevier.png


   1. 設定USART_CR1暫存器的UE位來啟動USART接收,如圖中的(a)
   2. 設定USART_CR1暫存器的M位決定資料長度,如圖中的(b)
   3. 設定USART_CR2暫存器中的STOP位來決定停止位元的長度,如圖中的(c)
   4. 採用多緩衝器接收資料,則須設定USART_CR3的DMAR啟動DMA,並設置DMA的暫存器,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暫存器中的RE位,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,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. 藉由讀取USART_DR可清除RXNE位,RXNE位必須要在下一資料接收前被清除,以免產生溢出錯誤
   5. 在DMA接收時,RXNE在每個字元接收後被設置,並因DMA讀取RDR而被清除

接收斷開符號
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USART在接收斷開符號後,可像處理frame錯誤一樣處理


接收空閒符號
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當空閒符號被偵測到時,USART處理步驟如同一般資料一樣處理,但如果USART_CR1的IDLEIE被設置時,將會產生一個中斷


溢出錯誤
------------------------------------
若RXNE沒有被覆位,此時又接收到一個新資料,則會發生溢出錯誤,如圖中的(i)

當溢出錯誤產生時:
   1. USART_SR中的ORE位將被設置,如圖中的(j)
   2. RDR中的內容將不會被清除,因此讀取USART_DR仍可以得到之前的資料
   3. 若USART持續在接收中,則Received shift register中的資料將被覆蓋
   4. 如果RXNEIE被設置,或是EIE(Error interrupt enable)和DMAR位被設定,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位

**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,此種情況發生在讀取RDR中上一筆資料時,又接收到新的資料時發生。



噪音錯誤
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透過不同的採樣技術,可以區分有效的輸入資料和噪音,並進行資料恢復。

透過設定USART_CR1中的OVER8位可選16或8次的採樣,見Fig. 250和Fig. 251:
   - OVER8 = 1: 採用8次採樣,採樣的頻率較快(最高頻率為fPCLK/8)
   - OVER8 = 0: 採用16次採樣,採樣的頻率最高為fPCLK/16

設定USART_CR3中的ONEBIT位可選則不同的採樣技術:
   - ONEBIT = 0: 採樣資料中心的 3 bits,若此3 bits不相等,則NF位會被設定
   - ONEBIT = 1: 只採樣中心的單一bit,此時NF的檢測將會被取消

當在資料接收中檢測到噪音時:
   - NE會在RXNE位的升緣時被設定
   - 無效的資料會從received shift register移入USART_DR暫存器中
   - 在單一資料的接收下,不會有中斷產生,但透過NE和RXNE位的設置,由後者來產生中斷;
     
     在多緩衝器的接收中,如果USART_CR3暫存器中的EIE位被設定,則會產生一個中斷

.. image:: /oversampling16.png


.. image:: /oversampling8.png


.. image:: /noisedetection.png

.. image:: /noisedetectionsampledata.png

Ref: `RM0090 Reference Manual P.957~958<http://www.st.com/web/en/resource/technical/document/reference_manual/DM00031020.pdf>`_

Frame錯誤
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由於沒有同步上或線路上大量的噪音,使得停止位沒有在預期的時間上接收和識別出來,則發生Frame錯誤

當Frame錯誤被檢測出時:
   1. FE位被設定,如圖中的(l)
   2. 無效的資料從received shift register移入USART_DR暫存器中
   3. 在一般資料的接收下,不會有中斷產生,可藉由RXNEIE位的設置,在中斷中檢測FE位得知發生錯誤;

      在DMA的接收中,如果USART_CR3暫存器中的EIE位被設定,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位



Fractional baud rate generation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.


Modes
............................

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

利用UART傳送小量data的時候, 接收方可以利用interrupt 的方法, 令processor 把data 從recieve register 寫到 memory裡面;
但當連續傳送大量的data時, 如果能不使用到processor 做將data 寫入memory的動作, 可以減輕資源有限的微處理器的負擔.

Ref: `RM0090 Reference Manual P.981<http://www.st.com/web/en/resource/technical/document/reference_manual/DM00031020.pdf>`_


USART 用 DMA 讀取 DATA 再傳送
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.. image:: /tx_normal.png
(一般 USART 傳送)

.. image:: /tx_uart_dma.png
(DMA USART 傳送)



1. 剛開始DMA先把第一個DATA寫入USART_DR.

2. 當TXE(transmission enable), 第一個data(FRAME1)就從TX Line上傳出去;TXE的同時,DMA request觸發, 所以DMA把第二個data也寫進USART_DR.

3. 當FRAME1傳完以後, 再一次TXE, FRAME2 開始從TX line傳出去,同時DMA request再次觸發, FRAME3也開始寫入.

4. 因為DMA一開始要設定這次會傳幾個byte,當回寫入完最後一個byte到USART_DR以後,DMA transfer complete會觸發,之後USART就會等待TC觸發,以確保最後一個byte傳發完畢.

5. TC 會由硬體在最後一個frame傳送完會設為1.

USART 接收端經過 DMA 存放DATA
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.. image:: /rx_usart_dma.png

與transmission類似.

1.USART_CR3 的 DMAR 要enable.

2. 當收到一個frame以後, 除了RXNE 以外,DMA request也會觸發, 表示DMA可以從USART_DR把DATA傳送到設定好的memory地址.

3. 當預先設定好的接收data數量達到以後, DMA TCIF會觸發interrupt, DMAR會在這個interrupt routine裡清掉,不就會產生DMA request.

SmartCard Mode
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SmartCard
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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。
   - 即使是使用Smartcard模式,TC旗標的取消動作依然不受影響,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。



IrDA SIR ENDEC
IrDA SIR ENDEC mode
====================
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
------------------

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/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。


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

利用UART傳送小量data的時候, 接收方可以利用interrupt 的方法, 令processor 把data 從recieve register 寫到 memory裡面;
但當連續傳送大量的data時, 如果能不使用到processor 做將data 寫入memory的動作, 可以減輕資源有限的微處理器的負擔.

Ref: `RM0090 Reference Manual P.981<http://www.st.com/web/en/resource/technical/document/reference_manual/DM00031020.pdf>`_


USART 用 DMA 讀取 DATA 再傳送
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.. image:: /tx_normal.png
(一般 USART 傳送)

.. image:: /tx_uart_dma.png
(DMA USART 傳送)



1. 剛開始DMA先把第一個DATA寫入USART_DR.

2. 當TXE(transmission enable), 第一個data(FRAME1)就從TX Line上傳出去;TXE的同時,DMA request觸發, 所以DMA把第二個data也寫進USART_DR.

3. 當FRAME1傳完以後, 再一次TXE, FRAME2 開始從TX line傳出去,同時DMA request再次觸發, FRAME3也開始寫入.

4. 因為DMA一開始要設定這次會傳幾個byte,當回寫入完最後一個byte到USART_DR以後,DMA transfer complete會觸發,之後USART就會等待TC觸發,以確保最後一個byte傳發完畢.

5. TC 會由硬體在最後一個frame傳送完會設為1.

USART 接收端經過 DMA 存放DATA
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.. image:: /rx_usart_dma.png

與transmission類似.

1.USART_CR3 的 DMAR 要enable.

2. 當收到一個frame以後, 除了RXNE 以外,DMA request也會觸發, 表示DMA可以從USART_DR把DATA傳送到設定好的memory地址.

3. 當預先設定好的接收data數量達到以後, DMA TCIF會觸發interrupt, DMAR會在這個interrupt routine裡清掉,不就會產生DMA request.


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

register 設定
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USART_CR2 : CLKEN = 1;LINEN :keep cleared;

USART_CR3 : SCEN, HDSEL, IREN :keep cleared;

特性
-----------

.. image:: /synchronous_transmission.png

Synchronous 指的是master 跟 slave 用同一個 Clock, 這個clock(SCLK)由 master 端送出, 同時需要TE = 1,clock 才會產生;這個時候只有master方會接收或傳送data.
(UART 4,5 不支援 Synchronous mode)


.. image:: /usart_syn.png

在傳送 start bit, stop bit 時不會有 clock pulse 從 SCLK 送出,clock 處於 logic 0.

Last bit clock pulse(LBCL),確定第8(9,如果 M=1)bit的clock pulse會不會輸出.

CPOL = 0: high 為 logic 1 ; CPOL =1 :high 為 logic 0.

CPHA = 0: clock pulse 發生在bit period 的後半段中;CPHA = 1: clock pulse 發生在bit period 的前半段;差別在於bit period中間的edge是正/負緣觸發.

master mode: 不能夠用slave(不是產生SCLK的一方,非usart周邊)輸入進來的input clock 做接收或送去data.

因為同步, 所以不需要oversampling(Ws >> 2Wm)

USART 與 SPI
---------------

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


HARDWARE FLOW CONTROL
=======================

Ref: `RM0090 Reference Manual P.983<http://www.st.com/web/en/resource/technical/document/reference_manual/DM00031020.pdf>`_

利用 nCTS 跟 nRTS 控制 TX , RX 要不要再傳送或接收 data

.. image:: /hardware_control_2usarts.png


RTS Flow Control
-------------------------
RTSE(RTS flow control enable) , CTSE 為1才開啟hw flow control;

Figure 318
在recieve端register 滿了以後, nRTS轉為 1,表示接收完這個data以後就暫時不接收Data;

.. image:: /rst_flow_control.png


CTS Flow Control
-----------------------
跟上面是對應的, 當nRTS為1, transimitter 端的nCTS就會是1, 表示他知道reciever 目前無法接收data, TX就會在傳送完當前的data以後 idle.

nCTS為1 的時候,  會由硬體去設定CTSIE bit (USART_CR3).

.. image:: /cst_flow_control.png


PARITY CONTROL
..............
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

Even/Odd parity
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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
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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
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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)

小知識:

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

USART Register 總表
................................
Status register(USART_SR)

Data register(USART_DR)

Baud rate register(USART_BRR)

Control Register 1(USART_CR1)

Control Register 2(USART_CR2)

Control Register 3(USART_CR3)

Guard time and prescaler register(USART_GTPR)

.. image:: /USART_register.png

CODE SECTION
.........................

發送器測試
======================================

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:: /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

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>`_