ARM的串行口實驗

一、 實驗目的
１．掌握ARM 的串行口工作原理。
２．學習編程實現ARM 的UART 通訊。
３．掌握CPU 利用串口通訊的方法。
二、 實驗內容
學習串行通訊原理，了解串行通訊控制器，閱讀ARM 芯片文檔，掌握ARM 的UART
相關寄存器的功能，熟悉ARM 系統硬件的UART 相關接口。編程實現ARM 和計算機之間
串行通訊：
ARM 監視串行口，將接收到的字符在液晶屏上顯示出來。（計算機向串口發送數據是通
過鍵盤來實現的）
三、 預備知識
1、用ARM SDT 2.5 集成開發環境，編寫和調試程序的基本過程。
2、ARM 應用程序的框架結構。
3、會使用Source Insight 3 編輯C 語言源程序。
4、了解串行總線
四、 實驗設備及工具
硬件：ARM 嵌入式開發板、用于ARM7TDMI 的JTAG 仿真器、PC 機Pentumn100 以
上、串口線
軟件：PC 機操作系統win98、ARM SDT 2.51 集成開發環境、仿真器驅動程序、Source
Insight 3.0
五、 實驗原理及說明
1．異步串行I／O
異步串行方式是將傳輸數據的每個字符一位接一位(例如先低位、后高位)地傳送。數據
的各不同位可以分時使用同一傳輸通道，因此串行I／O 可以減少信號連線，最少用一對線
即可進行。接收方對于同一根線上一連串的數字信號，首先要分割成位，再按位組成字符。
為了恢復發送的信息，雙方必須協調工作。在微型計算機中大量使用異步串行I／O 方式，
雙方使用各自的時鐘信號，而且允許時鐘頻率有一定誤差，因此實現較容易。但是由于每個
字符都要獨立確定起始和結束(即每個字符都要重新同步)，字符和字符間還可能有長度不定
的空閑時間，因此效率較低。

圖3-1 串行通信字符格式
圖3-1l 給出異步串行通信中一個字符的傳送格式。開始前，線路處于空閑狀態，送出連
續“1”。傳送開始時首先發一個“０”作為起始位，然后出現在通信線上的是字符的二進制
編碼數據。每個字符的數據位長可以約定為5 位、6 位、7 位或8 位，一般采用ASCII 編碼。
后面是奇偶校驗位，根據約定，用奇偶校驗位將所傳字符中為“1”的位數湊成奇數個或偶數個。也可以約定不要奇偶校驗，這樣就取消奇偶校驗位。最后是表示停止位的“1”信號，
這個停止位可以約定持續1 位、1.5 位或2 位的時間寬度。至此一個字符傳送完畢，線路又
進入空閑，持續為“1”。經過一段隨機的時間后，下一個字符開始傳送才又發出起始位。
每一個數據位的寬度等于傳送波特率的倒數。微機異步串行通信中，常用的波特率為
50，95，110，150，300，600，1200，2400，4800，9600 等。
接收方按約定的格式接收數據，并進行檢查，可以查出以下三種錯誤：
1．奇偶錯：在約定奇偶檢查的情況下，接收到的字符奇偶狀態和約定不符。
2．幀格式錯：一個字符從起始位到停止位的總位數不對。
3．溢出錯：若先接收的字符尚未被微機讀取，后面的字符又傳送過來，則產生溢出錯。
每一種錯誤都會給出相應的出錯信息，提示用戶處理。
２．串行接口的物理層標準
通用的串行I／O 接口有許多種，現僅就最常見的兩種標準作簡單介紹。
(—)EIA RS—232C
這是美國電子工業協會推薦的一種標準(Electronic industries Association Recoil-mended
Standard)。它在一種25 針接插件(DB—25)上定義了串行通信的有關信號。這個標準后來被
世界各國所接受并使用到計算機的I／O 接口中。
⑴ 信號連線
在實際異步串行通信中，并不要求用全部的RS—232C 信號，許多PC／XT 兼容機僅用
15 針接插件(DB—15)來引出其異步串行I／O 信號，而PC 中更是大量采用9 針接插件(DB
—9)來擔當此任，因此這里也不打算就RS—232C 的全部信號作詳細解釋。圖5.6.2 給出兩
臺微機利用RS—232C 接口通信的連線(無MODEM)，我們按DB—25 的引腳號標注各個信
號。
下面對圖5.6.2 中幾個主要信號作簡要說明。
保護地 通信線兩端所接設備的金屬外殼通過此線相聯。當通信電纜使用屏蔽線時，常
利用其外皮金屬屏蔽網來實現。由于各設備往往已通過電源線接通保護地，因此，通信線中
不必重復接此地線(圖中用虛線表示)。例如使用9 針插頭(DB—9)的異步串行I／O 接口就沒
有引出保護地信號。
TXD／RXD 是一對數據線，TXD 稱發送數據輸出，RXD 稱接收數據輸入。當兩臺微
機以全雙工方式直接通信(無MODEM 方式)時，雙方的這兩根線應交叉聯接(扭接)。
信號地 所有的信號都要通過信號地線構成耦合回路。通信線有以上三條(TXD、RXD
和信號地)就能工作了。其余信號主要用于雙方設備通信過程中的聯絡(握手信號)，而且有些
信號僅用于和MODEM 的聯絡。若采取微型機對微型機直接通信，且雙方可直接對異步串
行通信電路芯片編程，若設置成不要任何聯絡信號，則其它線都可不接。有時在通信線的同
一端將相關信號短接以“自握手”方式滿足聯絡要求。這就是如圖3-2(a)所示的情況。

RTS／CTS 請求發送信號RTS 是發送器輸出的準備好信號。接收方準備好后送回清除
發送信號CTS 后，發送數據開始進行，在同一端將這兩個信號短接就意味著只要發送器準
備好即可發送。
DCD 載波檢測(又稱接收線路信號檢測)。本意是MODEM 檢測到線路中的載波信號
后，通知終端準備接收數據的信號，在沒有接MODEM 的情況下，也可以和RTS、CTS 短
接。
相對于MODEM 而言，微型機和終端機一樣被稱為數據終端DTE(Data Terminal
Equipment)而MODEM 被稱為數據通信裝置DCE(Data Communications Equipment)，DTE 和
DCE 之間的連接不能像圖3-2 中有“扭接”現象，而應該是按接插件芯號，同名端對應相
接。此處介紹的RS—232C 的信號名稱及信號流向都是對DTE 而言的。
DTR／DSR 數據終端準備好時發DTR 信號，在收到數據通信裝置裝備好DSR 信號后，
方可通信。圖3-2(a)中將這一對信號以“自握手”方式短接。
RI 原意是在MODEM 接收到電話交換機有效的撥號時，使RI 有效，通知數據終端準
備傳送。在無MODEM 時也可和DTR 相接。
圖3-2(b)給出了無MODEM 情況下，DTE 對DTE 異步串行通信線路的完整連接，它不
僅適用于微型機和微型機之間的通信，還適用于微型機和異步串行外部設備(如終端機、繪
圖儀、數字化儀等)的連接。
⑵ 信號電平規定
RS—232C 規定了雙極性的信號邏輯電平：
-3V 到-25V 之間的電平表示邏輯“1”。
+3V 到+25V 之間的電平表示邏輯“0”。
因此這是一套負邏輯定義。
以上標準稱為EIA 電平。PC／XT 系列使用的信號電平是-12V 和+12V，符合EIA 標準，
但在計算機內部流動的信號都是TTL 電平，因此這中間需要用電平轉換電路。常用芯片
MCl488 或SN75150 將TTL 電平轉換為EIA 電平，MCl489 或SN75154 將EIA 電平轉換為
TTL 電平。PC／XT 系列以這種方式進行串行通信時，在波特率不高于9600 的情況下，理
論上通信線的長度限制為15 米。
(二)20mA 電流環
20mA 電流環并沒有形成一套完整的標準，主要是將數字信號的表示方法不使用電子的
高低，而改用20mA 電流的有無：“1”信號在環路中產生20mA 電流；“0”信號無電流產生。
當然也需要有電路來實現TTL 電平和20mA 電流之間的轉換。圖3-3 是PC／XT 微機中使用的一種20mA 電流環接口。當發送方SOUT＝1 時，便有20mA 電流灌入接收方的光耦合器，
于是光耦合器導通，使SIN＝1。反之當發送方SOUT＝0 時環路電流為零，接收方光耦合器截
止，SIN＝0。顯然，當要求雙工方式通信時，雙方都應各有收發電路，通信聯線至少要4 根。
由于通信雙方利用光耦合器實現電氣上隔離，而且信號又是雙端回路方式，故有很強的抗干
擾性，可以傳送遠至1 千米的距離。

“0”、“1”信號的表示方法不同外，其他方面(如字符的傳輸格式)常借用RS—232C 標
準。因此PC／XT 微機中的異步串行道信接口往往將這兩種標準做在一起，實際通過跨接線
從二者中擇一使用。
3．ARM 自帶的串行口寄存器
ARM 自帶兩個串行口，各帶有16 字節的FIFO（先入先出寄存器），最大波特率115.2K。
每個UART 有7 種狀態：溢出錯誤，校驗錯誤，幀錯誤，暫停態，接收緩沖區準備好，發
送緩沖區空，發送移位緩沖器空，這些狀態可以由相應的UTRSTATn/UERSTATn 表示，并
且與發送接收緩沖區相對應的有錯誤緩沖區。波特率的大小可以通過控制波特率寄存器
（UBRDIVn）控制，計算公式如下：

由上表可以看出，該寄存器的第6 位決定是否使用紅外模式，位5～3 決定校驗方式，
位2 決定停止位長度，位1 和０決定每幀的數據位數。
⑵ UART 控制寄存器UCONn，該寄存器決定UART 的各種模式。UART FIFO 控制寄
存器UFCONn，UART MODEM 控制寄存器，分別決定UART FIFO 和MODEM 的模式。其
中UFCONn 的第0 位決定是否啟用FIFO，UMCONn 的第0 位是請求發送位，對我們來說
是比較重要的。另外讀寫狀態寄存器UTRSTAT 以及錯誤狀態寄存UERSTAT，可以反映芯
片目前的讀寫狀態以及錯誤類型。FIFO 狀態寄存器UFSTAT 和MODEM 狀態寄存器
UMSTAT，通過前者可以讀出目前FIFO 是否滿以及其中的字節數；通過后者可以讀出目前
MODEM 的CTS 狀態。
⑶ 發送寄存器UTXH 和接收寄存器URXH，這兩個寄存器存放著發送和接收的數據，
當然只有一個字節８位數據。需要注意的是在發生溢出錯誤的時候，接收的數據必須要被讀
出來，否則會引發下次溢出錯誤。
⑷ 最后是波特率引子寄存器UBRDIV。該寄存器為十六位，算法參見上頁的部分。
注意：由于ARM 工作時存在小端和大端兩種工作模式，所以同樣一個寄存器在不同模
式時地址也不一樣，需要加以區別。
六、 實驗步驟
１．不帶操作系統的ARM 實現串行功能
⑴ 學習上述串行通訊原理，了解ARM 上相應寄存器的功能和各位的意義。
⑵ 打開一個新工程，定義與UART 有關的各個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

將上述定義為一個AD 功能的頭文件，并且加入到工程中(44b.h)。
⑶ 在上面的文件中添加下面的執行函數，并且建立一個庫文件（*.C）包含各函
數。主要為如下幾個：
void Uart_Init(int Uartnum, int mclk,int baud)//初始化函數，參數為端口號,時鐘,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)//發送字符串函數，參數為端口號，發送數組
{
while(*pt){
if(*pt=='\n'){
Uart_SendByte(Uartnum, '\r');
Uart_SendByte(Uartnum, *pt++);
}
else
Uart_SendByte(Uartnum, *pt++);
}
}
void Uart_Printf(char *fmt,...) //串行口發送字符串函數，僅向口０發送。
{
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) //檢查發送緩沖區是否滿函數，參數為端口號
{
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) //串行口檢測函數，將串口接收
//到的數據放入變量，參數為變量，端口號，超時時間
{
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;
}
}
上面的是與串行口操作有關的各種函數(44blib.c)。
⑷ 在主函數中首先初始化串行口0，然后通過串行口0 向外發送字符＂U＂。
/*************************串行口發送主程序**************************/
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．帶操作系統的ARM 實現串行口功能
當操作系統啟動時，將自動初始化各串行口，所以應用程序調用串行口資源將變得非常
容易。值的注意的是，應用程序往往是多任務系統，為了實時監測串行口信息，在本操作環
境中必須單開一個串行口掃描任務，保證信息不丟失。
⑴ 打開一個已有的工程文件，在其中的主函數MAIN 中添加串行口的寄存器初始化
代碼，并添加串行口和鍵盤掃描任務，串行口掃描任務的代碼如下：
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
當系統收到串行口信息時，將會自動向主任務發送一個串行口消息。主任務接收到該消
息，將會調用響應函數，響應該消息。
⑵ 添加消息響應函數的代碼如下：
void onSerial(int portn, char c)
{
LCD_ChangeMode(DspTxtMode);
LCD_printf("%c\n",c);
Uart_SendByte(0,c);
}
⑶ 添加主任務
void Main_Task(void *Id) //Main_Test_Task
{
POSMSG pMsg=0;
ClearScreen();
//消息循環
for(;;){
pMsg=WaitMessage(0); //等待消息switch(pMsg->Message)
{
case OSM_SERIAL:
onSerial(pMsg->WParam,pMsg->LParam);
break;
}
DeleteMessage(pMsg);//刪除消息,釋放資源
}
}
通過上面兩小段代碼，系統就可以調用串行口資源發送信息和接收信息，相對于不
帶操作系統串行口任務調用，上面的程序要簡單的多。從中大家也可以體會到在操作系
統的基礎上開發應用程序的好處。
七、 思考題
１．232 串行通訊的數據格式是什么？
２．串行通訊最少需要幾根線，分別如何連接？
３．ARM 的串行口有幾個，相應的寄存器是什么？
４．帶操作系統和不帶操作系統控制ARM 的串行口有什么區別?
５．為什么需要建立串行口掃描任務？