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USART簡介
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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
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- 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
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USART Block Diagram
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.. image:: /usart_block_diagram.png
Ref: `RM0090 Reference Manual P.949<http://www.st.com/web/en/resource/technical/document/reference_manual/DM00031020.pdf>`_
- 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,並藉由採樣的技術判斷資料及噪音
- TX: 發送資料,當發送器被啟動時,如果沒有傳送數據,則TX保持高電位。在Single-wire half-duplex或Smartcard mode時,此I/O同時被用於資料的傳送和接收
- 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)
- 使用fractional baud rate generator —— 12位整數和4位小數的表示方法,放在baud rate暫存器(USART_BRR)中
- 一個狀態暫存器(USART_SR)
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)
另外在同步模式中,還需要其他腳位
- 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: 發送器的時鐘輸出,用於同步傳輸的時鐘
- 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:
在Hardware flow control中,則另外需要下列兩個腳位:
- nCTS: 清除發送,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
- 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: 發送請求,若在低電位,則表示USART已經準備好接收資料
- 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
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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>`_
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,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
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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),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
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.. 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
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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,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
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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
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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
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.. 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
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.. 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
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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
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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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SmartCard Mode 是為了支援asynchronous protocol Smartcards(ISO 7816-3)[5].Smartcard 是一種單線半雙工的通輸協定
register 設定
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USART_CN3 : SCEN = 1;HDSEL, IREN : keep clean
USART_CN2 : LINEN
CLKEN = 1 (有可能會用到 Clock)
Smartcard mode Stop bit
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預設為 transmitter / receiver 兩端都是 1.5 bit, 但是receiver 可以使用 0.5 bit的stop bit.
因為 smartcard mode 是利用 TX 單線傳接, 所以如果設定0.5 bit stop bit的話, 在傳送,接收轉換是需要修改 control register.
parity error in smartcard mode
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.. image:: /parity_smartcard.png
當發現parity error, receiver 會 把TX立刻設為0維持一個baud clock(這個動作稱為"NACK") . 這樣會做成framing error讓transmitter 端知道, 然後重新傳一次.
IrDA SIR ENDEC
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Ref: `RM0090 Reference Manual P.979<http://www.st.com/web/en/resource/technical/document/reference_manual/DM00031020.pdf>`_
IrDA
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IrDA 是一種標準化紅外線數據傳送方式;STM32f4支援利用USART輸出訊號配合轉換電路,轉換成符合IrDA 標準的訊號,實現紅外線傳輸.
低速紅外線其傳輸數率上限為115.2Kbps, 相較於低速紅外線,高速紅外線的傳輸速率達到4Mbps, 更適合傳送較大的檔案, 圖片等;而由於紅外線無法穿越墻壁, 所以也適合在一個安全保密的封閉環境裡作網路傳輸.
register 設定
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USART_CR3 : IREN = 1; SCEN, HDSEL :keep clean.
USART_CR2 : LINEN , STOP, CLKEN :keep clean.
IrDA SIR 實體層
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.. image:: /irda.PNG
SIR Transmit encoder 會把 USART 的Non Return to Zero 轉換成 IrDA 輸出訊號.
IrDA 輸出是一種 Return-To-Zero,Inverted 形式的訊號, 用一個紅外線 pulse 表示一個 logic 0.
每一個紅外線 pulse 相當於 3/16 的 bit period, 而 IrDA mode 下的 USART 的 bit rate 最高為 115.2 Kbps.
(下圖 IrDA_OUT).
.. image:: /normal_mode.PNG
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
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.. 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
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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
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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
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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
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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
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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
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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
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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
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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:: /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
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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>`_