AVR單片機（五）、ATMEGA16的USART與PC機串行通信—01

五、ATMEGA16的USART與PC機串行通信

五—（01）、PC機發(fā)送字符給單片機控制發(fā)光管亮，同時將其傳回PC機，其中單片機的發(fā)送和接收都采用查詢方式（下一篇中有例程~）

1、USART的主要特點

通用同步和異步串行接收器和轉發(fā)器(USART) 是一個高度靈活的串行通訊設備。主要特
點為：
? 全雙工操作( 獨立的串行接收和發(fā)送寄存器)
? 異步或同步操作
? 主機或從機提供時鐘的同步操作
? 高精度的波特率發(fā)生器
? 支持5, 6, 7, 8, 或9 個數據位和1 個或2 個停止位
? 硬件支持的奇偶校驗操作
? 數據過速檢測
? 幀錯誤檢測
? 噪聲濾波，包括錯誤的起始位檢測，以及數字低通濾波器
? 三個獨立的中斷：發(fā)送結束中斷, 發(fā)送數據寄存器空中斷，以及接收結束中斷
? 多處理器通訊模式
? 倍速異步通訊模式

2、異步串行收發(fā)器

USART 分為了三個主要部分: 時鐘發(fā)生器，發(fā)送器和接收器。控制寄存器由三
個單元共享。時鐘發(fā)生器包含同步邏輯，通過它將波特率發(fā)生器及為從機同步操作所使用
的外部輸入時鐘同步起來。XCK ( 發(fā)送器時鐘) 引腳只用于同步傳輸模式。發(fā)送器包括一個寫緩沖器，串行移位寄存器，奇偶發(fā)生器以及處理不同的幀格式所需的控制邏輯。寫緩
沖器可以保持連續(xù)發(fā)送數據而不會在數據幀之間引入延遲。由于接收器具有時鐘和數據
恢復單元，它是USART 模塊中最復雜的?；謴蛦卧糜诋惒綌祿慕邮铡３嘶謴蛦?br/>元，接收器還包括奇偶校驗，控制邏輯，移位寄存器和一個兩級接收緩沖器UDR。接收
器支持與發(fā)送器相同的幀格式，而且可以檢測幀錯誤，數據過速和奇偶校驗錯誤。

3、時鐘產生

1）USART支持4種模式的時鐘

時鐘產生邏輯為發(fā)送器和接收器產生基礎時鐘。USART 支持4 種模式的時鐘:正常的異
步模式，倍速的異步模式，主機同步模式，以及從機同步模式。USART 控制位UMSEL
和狀態(tài)寄存器C (UCSRC) 用于選擇異步模式和同步模式。倍速模式( 只適用于異步模式
) 受控于UCSRA 寄存器的U2X。使用同步模式 (UMSEL = 1) 時，XCK 的數據方向寄存器
(DDR_XCK)決定時鐘源是由內部產生(主機模式)還是由外部生產(從機模式)。僅在同步模
式下XCK 有效。

2）內部時鐘用于異步模式和同步主機模式（這里我也不是很懂~~，專業(yè)術語太多，不過說白了就是波特率的計算公式唄，不過好好看看肯定能明白的）

USART 的波特率寄存器UBRR 和降序計數器相連接，一起構成可編程的預分頻器或波特
率發(fā)生器。降序計數器對系統時鐘計數，當其計數到零或UBRRL 寄存器被寫時，會自動
裝入UBRR 寄存器的值。當計數到零時產生一個時鐘，該時鐘作為波特率發(fā)生器的輸出
時鐘，輸出時鐘的頻率為fosc/(UBRR+1)。發(fā)生器對波特率發(fā)生器的輸出時鐘進行2、8
或16 的分頻，具體情況取決于工作模式。波特率發(fā)生器的輸出被直接用于接收器與數據
恢復單元。數據恢復單元使用了一個有2、8或16個狀態(tài)的狀態(tài)機，具體狀態(tài)數由UMSEL、
U2X 與 DDR_XCK 位設定的工作模式決定。
Table 60 給出了計算波特率(位/秒)以及計算每一種使用內部時鐘源工作模式的UBRR值
的公式。

3）倍速工作模式

通過設定UCSRA 寄存器的U2X 可以使傳輸速率加倍。該位只對異步工作模式有效。當
工作在同步模式時，設置該位為"0”。
設置該位把波特率分頻器的分頻值從16 降到8，使異步通信的傳輸速率加倍。此時接收
器只使用一半的采樣數對數據進行采樣及時鐘恢復，因此在該模式下需要更精確的系統
時鐘與更精確的波特率設置。發(fā)送器則沒有這個要求。

4）外部時鐘（這些東西感覺都是扯淡的~~呵呵）

同步從機操作模式由外部時鐘驅動，如Figure 70 所示。
輸入到XCK 引腳的外部時鐘由同步寄存器進行采樣，用以提高穩(wěn)定性。同步寄存器的輸
出通過一個邊沿檢測器，然后應用于發(fā)送器與接收器。這一過程引入了兩個CPU 時鐘周
期的延時，因此外部XCK 的最大時鐘頻率由以下公式限制：

fsck

要注意fosc 由系統時鐘的穩(wěn)定性決定，為了防止因頻率漂移而丟失數據，建議保留足夠的
裕量。

5）同步時鐘操作

使用同步模式時(UMSEL = 1)XCK 引腳被用于時鐘輸入( 從機模式) 或時鐘輸出( 主機模
式)。時鐘的邊沿、數據的采樣與數據的變化之間的關系的基本規(guī)律是：在改變數據輸出
端TxD 的XCK 時鐘的相反邊沿對數據輸入端RxD 進行采樣。

4、幀格式

串行數據幀由數據字加上同步位( 開始位與停止位) 以及用于糾錯的奇偶校驗位構成。

1）數據幀格式

? 1 個起始位
? 5、 6、 7、 8 或9 個數據位
? 無校驗位、奇校驗或偶校驗位
? 1或2 個停止位
數據幀以起始位開始；緊接著是數據字的最低位，數據字最多可以有9 個數據位，以數據
的最高位結束。如果使能了校驗位，校驗位將緊接著數據位，最后是結束位。當一個完整
的數據幀傳輸后，可以立即傳輸下一個新的數據幀，或使傳輸線處于空閑狀態(tài)。Figure
72 所示為可能的數據幀結構組合。括號中的位是可選的。

數據幀的結構由UCSRB 和 UCSRC 寄存器中的UCSZ2:0、 UPM1:0、USBS 設定。接
收與發(fā)送使用相同的設置。設置的任何改變都可能破壞正在進行的數據傳送與接收。

USART的字長位UCSZ2:0確定了數據幀的數據位數；校驗模式位UPM1:0用于使能與決
定校驗的類型； USBS 位設置幀有一位或兩位結束位。接收器忽略第二個停止位，因此
幀錯誤(FE) 只在第一個結束位為"0” 時被檢測到。

2）校驗位的計算

校驗位的計算是對數據的各個位進行異或運算。如果選擇了奇校驗，則異或結果還需要取
反。校驗位與數據位的關系如下：

注意：校驗位位于最后一個數據位與第一個停止位之間。

5、USART的寄存器及設置

1）USART I/O數據寄存器

USART 發(fā)送數據緩沖寄存器和USART 接收數據緩沖寄存器共享相同的I/O 地址，稱為
USART 數據寄存器或UDR。將數據寫入UDR 時實際操作的是發(fā)送數據緩沖器存器
(TXB)，讀UDR 時實際返回的是接收數據緩沖寄存器(RXB) 的內容。
在5、6、7 比特字長模式下，未使用的高位被發(fā)送器忽略，而接收器則將它們設置為0。
只有當UCSRA寄存器的UDRE標志置位后才可以對發(fā)送緩沖器進行寫操作。如果UDRE
沒有置位，那么寫入UDR 的數據會被USART 發(fā)送器忽略。當數據寫入發(fā)送緩沖器后，
若移位寄存器為空，發(fā)送器將把數據加載到發(fā)送移位寄存器。然后數據串行地從TxD 引
腳輸出。
接收緩沖器包括一個兩級FIFO，一旦接收緩沖器被尋址FIFO 就會改變它的狀態(tài)。因此
不要對這一存儲單元使用讀- 修改- 寫指令(SBI 和CBI)。使用位查詢指令(SBIC 和SBIS)
時也要小心，因為這也有可能改變FIFO 的狀態(tài)（這些東西果斷沒有用過）。

2）USART控制和狀態(tài)寄存器A

? Bit 7 – RXC: USART 接收結束
接收緩沖器中有未讀出的數據時RXC 置位，否則清零。接收器禁止時，接收緩沖器被刷
新，導致RXC 清零。RXC 標志可用來產生接收結束中斷( 見對RXCIE 位的描述)。
? Bit 6 – TXC: USART 發(fā)送結束
發(fā)送移位緩沖器中的數據被送出，且當發(fā)送緩沖器 (UDR) 為空時TXC 置位。執(zhí)行發(fā)送結
束中斷時TXC 標志自動清零，也可以通過寫1 進行清除操作。TXC 標志可用來產生發(fā)送
結束中斷( 見對TXCIE 位的描述)。
? Bit 5 – UDRE: USART 數據寄存器空
UDRE標志指出發(fā)送緩沖器(UDR)是否準備好接收新數據。UDRE為1說明緩沖器為空，已
準備好進行數據接收。UDRE標志可用來產生數據寄存器空中斷(見對UDRIE位的描述)。
復位后UDRE 置位，表明發(fā)送器已經就緒。
? Bit 4 – FE: 幀錯誤
如果接收緩沖器接收到的下一個字符有幀錯誤，即接收緩沖器中的下一個字符的第一個
停止位為0，那么FE 置位。這一位一直有效直到接收緩沖器(UDR) 被讀取。當接收到的
停止位為1 時， FE 標志為0。對UCSRA 進行寫入時，這一位要寫0。
? Bit 3 – DOR: 數據溢出
數據溢出時DOR 置位。當接收緩沖器滿( 包含了兩個數據)，接收移位寄存器又有數據，
若此時檢測到一個新的起始位，數據溢出就產生了。這一位一直有效直到接收緩沖器
(UDR) 被讀取。對UCSRA 進行寫入時，這一位要寫0。
? Bit 2 – PE: 奇偶校驗錯誤
當奇偶校驗使能(UPM1 = 1)，且接收緩沖器中所接收到的下一個字符有奇偶校驗錯誤時
UPE 置位。這一位一直有效直到接收緩沖器 (UDR) 被讀取。對UCSRA 進行寫入時，這一
位要寫0。
? Bit 1 – U2X: 倍速發(fā)送
這一位僅對異步操作有影響。使用同步操作時將此位清零。
此位置1 可將波特率分頻因子從16 降到8，從而有效的將異步通信模式的傳輸速率加倍。
? Bit 0 – MPCM: 多處理器通信模式
設置此位將啟動多處理器通信模式。MPCM 置位后， USART 接收器接收到的那些不包
含地址信息的輸入幀都將被忽略。發(fā)送器不受MPCM設置的影響。

3）USART控制和狀態(tài)寄存器B

? Bit 7 – RXCIE: 接收結束中斷使能
置位后使能RXC 中斷。當RXCIE 為1，全局中斷標志位SREG 置位， UCSRA 寄存器
的RXC 亦為1 時可以產生USART 接收結束中斷。

? Bit 6 – TXCIE: 發(fā)送結束中斷使能
置位后使能TXC 中斷。當TXCIE 為1，全局中斷標志位SREG 置位，UCSRA 寄存器的
TXC 亦為1 時可以產生USART 發(fā)送結束中斷。
? Bit 5 – UDRIE: USART 數據寄存器空中斷使能
置位后使能UDRE 中斷。當UDRIE 為1，全局中斷標志位SREG 置位，UCSRA 寄存器
的UDRE 亦為1 時可以產生USART 數據寄存器空中斷。
? Bit 4 – RXEN: 接收使能
置位后將啟動USART 接收器。RxD 引腳的通用端口功能被USART 功能所取代。禁止
接收器將刷新接收緩沖器，并使 FE、DOR 及PE 標志無效。
? Bit 3 – TXEN: 發(fā)送使能
置位后將啟動將啟動USART 發(fā)送器。TxD 引腳的通用端口功能被USART 功能所取代。
TXEN 清零后，只有等到所有的數據發(fā)送完成后發(fā)送器才能夠真正禁止，即發(fā)送移位寄存
器與發(fā)送緩沖寄存器中沒有要傳送的數據。發(fā)送器禁止后，TxD引腳恢復其通用I/O功能。
? Bit 2 – UCSZ2: 字符長度
UCSZ2與UCSRC寄存器的UCSZ1:0結合在一起可以設置數據幀所包含的數據位數(字符
長度)。
? Bit 1 – RXB8: 接收數據位 8
對9 位串行幀進行操作時，RXB8 是第9 個數據位。讀取UDR 包含的低位數據之前首先
要讀取RXB8。
? Bit 0 – TXB8: 發(fā)送數據位8
對9 位串行幀進行操作時，TXB8 是第9 個數據位。寫UDR 之前首先要對它進行寫操作。