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UART、RS232 和 COM

UART是通用异步收发器(异步串行通信口)的英文缩写,它包括了RS232、RS499、RS423、RS422和RS485等接口标准规范和总线标准规范,即UART是异步串行通信口的总称。

而RS232、RS499、RS423、RS422和RS485等,是对应各种异步串行通信口的接口标准和总线标准,它规定了通信口的电气特性、传输速率、连接特性和接口的机械特性等内容。实际上是属于通信网络中的物理层(最底层)的概念,与通信协议没有直接关系。而通信协议,是属于通信网络中的数据链路层(上一层)的概念。

COM口是PC(个人计算机)上,异步串行通信口的简写。由于历史原因,IBM的PC外部接口配置为RS232,成为实际上的PC界默认标准。所以,现在PC机的COM口均为RS232。

UART(Universal Asynchronous Receiver/Transmitter)即通用异步收发传输器,工作于数据链路层。包含了RS-232、RS-422、RS-485串口通信和红外(IrDA)等等。UART协议作为一种低速通信协议,广泛应用于通信领域等各种场合。

异步串口通信协议作为UART的一种,工作原理是将传输数据的每个字符一位接一位地传输。图一给出了其工作模式:



图1

其中各位的意义如下:

起始位:先发出一个逻辑“0的信号,表示传输字符的开始。

资料位:紧接着起始位之后。资料位的个数可以是4、5、6、7、8等,构成一个字符。通常采用ASCII码。从最低位开始传送,靠时钟定位。

奇偶校验位:资料位加上这一位后,使得“1的位数应为偶数(偶校验)或奇数(奇校验),以此来校验资料传送的正确性。

停止位:它是一个字符数据的结束标志。可以是1位、1.5位、2位的高电平。

空闲位:处于逻辑“1状态,表示当前线路上没有资料传送。

波特率:是衡量资料传送速率的指针。表示每秒钟传送的二进制位数。例如资料传送速率为120字符/秒,而每一个字符为10位,则其传送的波特率为10×120=1200字符/秒=1200波特。

在嵌入式系统或者计算机中,并非直接对串口直接进行,而是通过SCI (串行通讯接口)模块对其进行控制。(注:“SCI首先由Motorola微串口微控制器而得名,SCI另一种说法是“UART控制器”)常用的许多芯片中都包含了SCI,例如ARM的S3C2410X芯片内嵌了3个串行接口控制器,而Nios等软核芯片则可以用选用UART(RS232)的IP对UART进行控制。PC机则常用16650 UART,16750 UART等控制串口。

我们来看看标准的10位异步串行协议(包含一个起始位,一个停止位和8个数据位)收发一个字符时的情况(如图2所示)。


图2:标准的10位异步串行协议收发字符时的时序图。

在启动一次发送或接收操作之后,串行UART(不论是软件还是硬件形式的UART)并不需要连续监控I/O线。在发送一个字符时,每个位周期, UART只需驱动一次发送信号线的状态,从起始位到8个数据位直到结束位依次设置每个位的电平。在接收一个字符时,UART在第一个下降沿开始工作,之后只需在每个位时隙的中央对接收线上的信号状态进行一次采样。

我们可以用一对状态机来表征软件UART的行为,一个状态机用于发送字符,另一个用于接收字符。对一个全双工的UART而言,这两个状态机是并行运行的,需要两个独立的定时器中断。这两个状态机都有主动和被动两种模式。发送状态机在收到一个需发送的字符时跳出空闲状态,在结束位发送之后回到空闲状态。接收状态机在检测到接收线上的一个下降沿时跳出空闲状态。在检测到这个初始的低电平状态之后(该状态指示起始位已经开始),开始对位时隙进行递减计数,同时按要求采样信号线上的每个信号位,包括停止位。

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