ARM的串行口实验

ARM的串行口实验

一、 实验目的
１．掌握ARM 的串行口工作原理。
２．学习编程实现ARM 的UART 通讯。
３．掌握CPU 利用串口通讯的方法。
二、 实验内容
学习串行通讯原理，了解串行通讯控制器，阅读ARM 芯片文档，掌握ARM 的UART
相关寄存器的功能，熟悉ARM 系统硬件的UART 相关接口。编程实现ARM 和计算机之间
串行通讯：
ARM 监视串行口，将接收到的字符在液晶屏上显示出来。（计算机向串口发送数据是通
过键盘来实现的）
三、 预备知识
1、用ARM SDT 2.5 集成开发环境，编写和调试程序的基本过程。
2、ARM 应用程序的框架结构。
3、会使用Source Insight 3 编辑C 语言源程序。
4、了解串行总线
四、 实验设备及工具
硬件：ARM 嵌入式开发板、用于ARM7TDMI 的JTAG 仿真器、PC 机Pentumn100 以
上、串口线
软件：PC 机操作系统win98、ARM SDT 2.51 集成开发环境、仿真器驱动程序、Source
Insight 3.0
五、 实验原理及说明
1．异步串行I／O
异步串行方式是将传输数据的每个字符一位接一位(例如先低位、后高位)地传送。数据
的各不同位可以分时使用同一传输通道，因此串行I／O 可以减少信号连线，最少用一对线
即可进行。接收方对于同一根线上一连串的数字信号，首先要分割成位，再按位组成字符。
为了恢复发送的信息，双方必须协调工作。在微型计算机中大量使用异步串行I／O 方式，
双方使用各自的时钟信号，而且允许时钟频率有一定误差，因此实现较容易。但是由于每个
字符都要独立确定起始和结束(即每个字符都要重新同步)，字符和字符间还可能有长度不定
的空闲时间，因此效率较低。

图3-1 串行通信字符格式
图3-1l 给出异步串行通信中一个字符的传送格式。开始前，线路处于空闲状态，送出连
续“1”。传送开始时首先发一个“０”作为起始位，然后出现在通信线上的是字符的二进制
编码数据。每个字符的数据位长可以约定为5 位、6 位、7 位或8 位，一般采用ASCII 编码。
后面是奇偶校验位，根据约定，用奇偶校验位将所传字符中为“1”的位数凑成奇数个或偶数个。也可以约定不要奇偶校验，这样就取消奇偶校验位。最后是表示停止位的“1”信号，
这个停止位可以约定持续1 位、1.5 位或2 位的时间宽度。至此一个字符传送完毕，线路又
进入空闲，持续为“1”。经过一段随机的时间后，下一个字符开始传送才又发出起始位。
每一个数据位的宽度等于传送波特率的倒数。微机异步串行通信中，常用的波特率为
50，95，110，150，300，600，1200，2400，4800，9600 等。
接收方按约定的格式接收数据，并进行检查，可以查出以下三种错误：
1．奇偶错：在约定奇偶检查的情况下，接收到的字符奇偶状态和约定不符。
2．帧格式错：一个字符从起始位到停止位的总位数不对。
3．溢出错：若先接收的字符尚未被微机读取，后面的字符又传送过来，则产生溢出错。
每一种错误都会给出相应的出错信息，提示用户处理。
２．串行接口的物理层标准
通用的串行I／O 接口有许多种，现仅就最常见的两种标准作简单介绍。
(—)EIA RS—232C
这是美国电子工业协会推荐的一种标准(Electronic industries Association Recoil-mended
Standard)。它在一种25 针接插件(DB—25)上定义了串行通信的有关信号。这个标准后来被
世界各国所接受并使用到计算机的I／O 接口中。
⑴ 信号连线
在实际异步串行通信中，并不要求用全部的RS—232C 信号，许多PC／XT 兼容机仅用
15 针接插件(DB—15)来引出其异步串行I／O 信号，而PC 中更是大量采用9 针接插件(DB
—9)来担当此任，因此这里也不打算就RS—232C 的全部信号作详细解释。图5.6.2 给出两
台微机利用RS—232C 接口通信的连线(无MODEM)，我们按DB—25 的引脚号标注各个信
号。
下面对图5.6.2 中几个主要信号作简要说明。
保护地 通信线两端所接设备的金属外壳通过此线相联。当通信电缆使用屏蔽线时，常
利用其外皮金属屏蔽网来实现。由于各设备往往已通过电源线接通保护地，因此，通信线中
不必重复接此地线(图中用虚线表示)。例如使用9 针插头(DB—9)的异步串行I／O 接口就没
有引出保护地信号。
TXD／RXD 是一对数据线，TXD 称发送数据输出，RXD 称接收数据输入。当两台微
机以全双工方式直接通信(无MODEM 方式)时，双方的这两根线应交叉联接(扭接)。
信号地 所有的信号都要通过信号地线构成耦合回路。通信线有以上三条(TXD、RXD
和信号地)就能工作了。其余信号主要用于双方设备通信过程中的联络(握手信号)，而且有些
信号仅用于和MODEM 的联络。若采取微型机对微型机直接通信，且双方可直接对异步串
行通信电路芯片编程，若设置成不要任何联络信号，则其它线都可不接。有时在通信线的同
一端将相关信号短接以“自握手”方式满足联络要求。这就是如图3-2(a)所示的情况。

RTS／CTS 请求发送信号RTS 是发送器输出的准备好信号。接收方准备好后送回清除
发送信号CTS 后，发送数据开始进行，在同一端将这两个信号短接就意味着只要发送器准
备好即可发送。
DCD 载波检测(又称接收线路信号检测)。本意是MODEM 检测到线路中的载波信号
后，通知终端准备接收数据的信号，在没有接MODEM 的情况下，也可以和RTS、CTS 短
接。
相对于MODEM 而言，微型机和终端机一样被称为数据终端DTE(Data Terminal
Equipment)而MODEM 被称为数据通信装置DCE(Data Communications Equipment)，DTE 和
DCE 之间的连接不能像图3-2 中有“扭接”现象，而应该是按接插件芯号，同名端对应相
接。此处介绍的RS—232C 的信号名称及信号流向都是对DTE 而言的。
DTR／DSR 数据终端准备好时发DTR 信号，在收到数据通信装置装备好DSR 信号后，
方可通信。图3-2(a)中将这一对信号以“自握手”方式短接。
RI 原意是在MODEM 接收到电话交换机有效的拨号时，使RI 有效，通知数据终端准
备传送。在无MODEM 时也可和DTR 相接。
图3-2(b)给出了无MODEM 情况下，DTE 对DTE 异步串行通信线路的完整连接，它不
仅适用于微型机和微型机之间的通信，还适用于微型机和异步串行外部设备(如终端机、绘
图仪、数字化仪等)的连接。
⑵ 信号电平规定
RS—232C 规定了双极性的信号逻辑电平：
-3V 到-25V 之间的电平表示逻辑“1”。
+3V 到+25V 之间的电平表示逻辑“0”。
因此这是一套负逻辑定义。
以上标准称为EIA 电平。PC／XT 系列使用的信号电平是-12V 和+12V，符合EIA 标准，
但在计算机内部流动的信号都是TTL 电平，因此这中间需要用电平转换电路。常用芯片
MCl488 或SN75150 将TTL 电平转换为EIA 电平，MCl489 或SN75154 将EIA 电平转换为
TTL 电平。PC／XT 系列以这种方式进行串行通信时，在波特率不高于9600 的情况下，理
论上通信线的长度限制为15 米。
(二)20mA 电流环
20mA 电流环并没有形成一套完整的标准，主要是将数字信号的表示方法不使用电子的
高低，而改用20mA 电流的有无：“1”信号在环路中产生20mA 电流；“0”信号无电流产生。
当然也需要有电路来实现TTL 电平和20mA 电流之间的转换。图3-3 是PC／XT 微机中使用的一种20mA 电流环接口。当发送方SOUT＝1 时，便有20mA 电流灌入接收方的光耦合器，
于是光耦合器导通，使SIN＝1。反之当发送方SOUT＝0 时环路电流为零，接收方光耦合器截
止，SIN＝0。显然，当要求双工方式通信时，双方都应各有收发电路，通信联线至少要4 根。
由于通信双方利用光耦合器实现电气上隔离，而且信号又是双端回路方式，故有很强的抗干
扰性，可以传送远至1 千米的距离。

“0”、“1”信号的表示方法不同外，其他方面(如字符的传输格式)常借用RS—232C 标
准。因此PC／XT 微机中的异步串行道信接口往往将这两种标准做在一起，实际通过跨接线
从二者中择一使用。
3．ARM 自带的串行口寄存器
ARM 自带两个串行口，各带有16 字节的FIFO（先入先出寄存器），最大波特率115.2K。
每个UART 有7 种状态：溢出错误，校验错误，帧错误，暂停态，接收缓冲区准备好，发
送缓冲区空，发送移位缓冲器空，这些状态可以由相应的UTRSTATn/UERSTATn 表示，并
且与发送接收缓冲区相对应的有错误缓冲区。波特率的大小可以通过控制波特率寄存器
（UBRDIVn）控制，计算公式如下：

由上表可以看出，该寄存器的第6 位决定是否使用红外模式，位5～3 决定校验方式，
位2 决定停止位长度，位1 和０决定每帧的数据位数。
⑵ UART 控制寄存器UCONn，该寄存器决定UART 的各种模式。UART FIFO 控制寄
存器UFCONn，UART MODEM 控制寄存器，分别决定UART FIFO 和MODEM 的模式。其
中UFCONn 的第0 位决定是否启用FIFO，UMCONn 的第0 位是请求发送位，对我们来说
是比较重要的。另外读写状态寄存器UTRSTAT 以及错误状态寄存UERSTAT，可以反映芯
片目前的读写状态以及错误类型。FIFO 状态寄存器UFSTAT 和MODEM 状态寄存器
UMSTAT，通过前者可以读出目前FIFO 是否满以及其中的字节数；通过后者可以读出目前
MODEM 的CTS 状态。
⑶ 发送寄存器UTXH 和接收寄存器URXH，这两个寄存器存放着发送和接收的数据，
当然只有一个字节８位数据。需要注意的是在发生溢出错误的时候，接收的数据必须要被读
出来，否则会引发下次溢出错误。
⑷ 最后是波特率引子寄存器UBRDIV。该寄存器为十六位，算法参见上页的部分。
注意：由于ARM 工作时存在小端和大端两种工作模式，所以同样一个寄存器在不同模
式时地址也不一样，需要加以区别。
六、 实验步骤
１．不带操作系统的ARM 实现串行功能
⑴ 学习上述串行通讯原理，了解ARM 上相应寄存器的功能和各位的意义。
⑵ 打开一个新工程，定义与UART 有关的各个寄存器地址和一些特殊的位命令。主
要有以下各寄存器：
/* UART 的全部功能寄存器 */
#define rULCON0 (*(volatile unsigned *)0x1d00000)
#define rULCON1 (*(volatile unsigned *)0x1d04000)
#define rUCON0 (*(volatile unsigned *)0x1d00004)

#define rUCON1 (*(volatile unsigned *)0x1d04004)
#define rUFCON0 (*(volatile unsigned *)0x1d00008)
#define rUFCON1 (*(volatile unsigned *)0x1d04008)
#define rUMCON0 (*(volatile unsigned *)0x1d0000c)
#define rUMCON1 (*(volatile unsigned *)0x1d0400c)
#define rUTRSTAT0 (*(volatile unsigned *)0x1d00010)
#define rUTRSTAT1 (*(volatile unsigned *)0x1d04010)
#define rUERSTAT0 (*(volatile unsigned *)0x1d00014)
#define rUERSTAT1 (*(volatile unsigned *)0x1d04014)
#define rUFSTAT0 (*(volatile unsigned *)0x1d00018)
#define rUFSTAT1 (*(volatile unsigned *)0x1d04018)
#define rUMSTAT0 (*(volatile unsigned *)0x1d0001c)
#define rUMSTAT1 (*(volatile unsigned *)0x1d0401c)
#define rUBRDIV0 (*(volatile unsigned *)0x1d00028)
#define rUBRDIV1 (*(volatile unsigned *)0x1d04028)
#ifdef __BIG_ENDIAN //大端模式
#define rUTXH0 (*(volatile unsigned char *)0x1d00023)
#define rUTXH1 (*(volatile unsigned char *)0x1d04023)
#define rURXH0 (*(volatile unsigned char *)0x1d00027)
#define rURXH1 (*(volatile unsigned char *)0x1d04027)
#define WrUTXH0(ch) (*(volatile unsigned char *)(0x1d00023))=(unsigned char)(ch)
#define WrUTXH1(ch) (*(volatile unsigned char *)(0x1d04023))=(unsigned char)(ch)
#define RdURXH0() (*(volatile unsigned char *)(0x1d00027))
#define RdURXH1() (*(volatile unsigned char *)(0x1d04027))
#define UTXH0 (0x1d00020+3) //byte_access address by BDMA
#define UTXH1 (0x1d04020+3)
#define URXH0 (0x1d00024+3)
#define URXH1 (0x1d04024+3)
#else //小端模式
#define rUTXH0 (*(volatile unsigned char *)0x1d00020)
#define rUTXH1 (*(volatile unsigned char *)0x1d04020)
#define rURXH0 (*(volatile unsigned char *)0x1d00024)
#define rURXH1 (*(volatile unsigned char *)0x1d04024)
#define WrUTXH0(ch) (*(volatile unsigned char *)0x1d00020)=(unsigned char)(ch)
#define WrUTXH1(ch) (*(volatile unsigned char *)0x1d04020)=(unsigned char)(ch)
#define RdURXH0() (*(volatile unsigned char *)0x1d00024)
#define RdURXH1() (*(volatile unsigned char *)0x1d04024)
#define UTXH0 (0x1d00020) //byte_access address by BDMA
#define UTXH1 (0x1d04020)
#define URXH0 (0x1d00024)
#define URXH1 (0x1d04024)
#endif

将上述定义为一个AD 功能的头文件，并且加入到工程中(44b.h)。
⑶ 在上面的文件中添加下面的执行函数，并且建立一个库文件（*.C）包含各函
数。主要为如下几个：
void Uart_Init(int Uartnum, int mclk,int baud)//初始化函数，参数为端口号,时钟,波特率
{
int i;
if(mclk==0)
mclk=MCLK;
if(Uartnum==0){ //UART0
rUFCON0=0x0; //FIFO disable
rUMCON0=0x0; //UART0
rULCON0=0x3; //Normal,No parity,1 stop,8 bit
rUCON0=0x245; //rx=edge,tx=level,disable timeout int.,enable rx
//error int.,normal,interrupt or polling
rUBRDIV0=( (int)(mclk/16./baud + 0.5) -1 );
}
else{
rUFCON1=0x0;
rUMCON1=0x0; //UART1
rULCON1=0x3;
rUCON1=0x245;
rUBRDIV1=( (int)(mclk/16./baud + 0.5) -1 );
}
for(i=0;i<100;i++);
}
void Uart_SendString(int Uartnum, char *pt)//发送字符串函数，参数为端口号，发送数组
{
while(*pt){
if(*pt=='\n'){
Uart_SendByte(Uartnum, '\r');
Uart_SendByte(Uartnum, *pt++);
}
else
Uart_SendByte(Uartnum, *pt++);
}
}
void Uart_Printf(char *fmt,...) //串行口发送字符串函数，仅向口０发送。
{
va_list ap;
char string[256];
va_start(ap,fmt);
vsprintf(string,fmt,ap);
Uart_SendString(0, string);
va_end(ap);

}
void Uart_TxEmpty(int Uartnum) //检查发送缓冲区是否满函数，参数为端口号
{
if(Uartnum==0)
while(!(rUTRSTAT0 & 0x4)); //wait until tx shifter is empty.
else
while(!(rUTRSTAT1 & 0x4)); //wait until tx shifter is empty.
}
char Uart_Getch(char* Revdata, int Uartnum, int timeout) //串行口检测函数，将串口接收
//到的数据放入变量，参数为变量，端口号，超时时间
{
int i=0;
if(Uartnum==0){
while(!(rUTRSTAT0 & 0x1)){ //Receive data read
OSTimeDly(1);
if(timeout==0)
continue;
if(++i>=timeout)
return FALSE;
}
*Revdata=RdURXH0();
return TRUE;
}
else{
while(!(rUTRSTAT1 & 0x1)){ //Receive data read
OSTimeDly(1);
if(timeout==0)
continue;
if(++i>=timeout)
return FALSE;
}
*Revdata=RdURXH1();
return TRUE;
}
}
上面的是与串行口操作有关的各种函数(44blib.c)。
⑷ 在主函数中首先初始化串行口0，然后通过串行口0 向外发送字符＂U＂。
/*************************串行口发送主程序**************************/
int Main(int argc, char **argv)
{
char c1;
Uart_Init(0,115200);
while(1)

{
Uart_SendByte(0xa);
Uart_SendByte(0xd);
c1=Uart_Getch();
Uart_SendByte(c1);
}
return 0;
}
2．带操作系统的ARM 实现串行口功能
当操作系统启动时，将自动初始化各串行口，所以应用程序调用串行口资源将变得非常
容易。值的注意的是，应用程序往往是多任务系统，为了实时监测串行口信息，在本操作环
境中必须单开一个串行口扫描任务，保证信息不丢失。
⑴ 打开一个已有的工程文件，在其中的主函数MAIN 中添加串行口的寄存器初始化
代码，并添加串行口和键盘扫描任务，串行口扫描任务的代码如下：
void Uart_Scan_Task1(void *Id)
{
char c1;
POSMSG pmsg1;
for (;;){
if(Uart_Getch(&c1,0,1))
{
pmsg1=OSCreateMessage(NULL,OSM_SERIAL,0,c1);
if(pmsg1)
SendMessage(pmsg1);
}
}
}//Uart_Scan_Task
当系统收到串行口信息时，将会自动向主任务发送一个串行口消息。主任务接收到该消
息，将会调用响应函数，响应该消息。
⑵ 添加消息响应函数的代码如下：
void onSerial(int portn, char c)
{
LCD_ChangeMode(DspTxtMode);
LCD_printf("%c\n",c);
Uart_SendByte(0,c);
}
⑶ 添加主任务
void Main_Task(void *Id) //Main_Test_Task
{
POSMSG pMsg=0;
ClearScreen();
//消息循环
for(;;){
pMsg=WaitMessage(0); //等待消息switch(pMsg->Message)
{
case OSM_SERIAL:
onSerial(pMsg->WParam,pMsg->LParam);
break;
}
DeleteMessage(pMsg);//删除消息,释放资源
}
}
通过上面两小段代码，系统就可以调用串行口资源发送信息和接收信息，相对于不
带操作系统串行口任务调用，上面的程序要简单的多。从中大家也可以体会到在操作系
统的基础上开发应用程序的好处。
七、 思考题
１．232 串行通讯的数据格式是什么？
２．串行通讯最少需要几根线，分别如何连接？
３．ARM 的串行口有几个，相应的寄存器是什么？
４．带操作系统和不带操作系统控制ARM 的串行口有什么区别?
５．为什么需要建立串行口扫描任务？