版本 11db532a77e314e8c77f064fa2c09d396355460e
Changes from 11db532a77e314e8c77f064fa2c09d396355460e to 6225b208bd1f4f1c5e3a20e322913d75263de33d
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
------------------------------------
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
------------------------------------
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
------------------------------------
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
------------------------------------
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
------------------------------------
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
====================================
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
............................
SmartCard Mode
====================
SmartCard
---------------
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 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。
Continuous communication using DMA
=======================================
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
------------------------
.. 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。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
----------------------
.. 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。
Error flagging and interrupt generation in multibuffer communication
----------------------------------------------------------------------
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。
USART SYNCHRONOUS MODE
=========================
Ref: `RM0090 Reference Manual P.974<http://www.st.com/web/en/resource/technical/document/reference_manual/DM00031020.pdf>`_
register 設定
------------------
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_CR2 : CLKEN = 1;LINEN :keep cleared;
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。
USART_CR3 : SCEN, HDSEL, IREN :keep cleared;
在idle state、前同步碼(preamble)以及傳送break時,外部SCLK腳位不會被啟用。
特性
-----------
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。
.. image:: /synchronous_transmission.png
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)。
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)
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。
.. image:: /usart_syn.png
建議同時設定TE和RE,以減少接收器的setup和hold time。
在傳送 start bit, stop bit 時不會有 clock pulse 從 SCLK 送出,clock 處於 logic 0.
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)。
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.
.. image:: /synchronous_transmission.png
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.
.. image:: /usart_syn.png
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
-------------------------
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
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
=================================
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
=========================================
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
======================================
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>`_