AVR單片機(jī)（五）、ATMEGA16的USART與PC機(jī)串行通信—01

五、ATMEGA16的USART與PC機(jī)串行通信

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

1、USART的主要特點(diǎn)

通用同步和異步串行接收器和轉(zhuǎn)發(fā)器(USART) 是一個(gè)高度靈活的串行通訊設(shè)備。主要特
點(diǎn)為：
? 全雙工操作( 獨(dú)立的串行接收和發(fā)送寄存器)
? 異步或同步操作
? 主機(jī)或從機(jī)提供時(shí)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(gè)數(shù)據(jù)位和1 個(gè)或2 個(gè)停止位
? 硬件支持的奇偶校驗(yàn)操作
? 數(shù)據(jù)過(guò)速檢測(cè)
? 幀錯(cuò)誤檢測(cè)
? 噪聲濾波，包括錯(cuò)誤的起始位檢測(cè)，以及數(shù)字低通濾波器
? 三個(gè)獨(dú)立的中斷：發(fā)送結(jié)束中斷, 發(fā)送數(shù)據(jù)寄存器空中斷，以及接收結(jié)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(gè)主要部分: 時(shí)鐘發(fā)生器，發(fā)送器和接收器?？刂萍拇嫫饔扇?br/>個(gè)單元共享。時(shí)鐘發(fā)生器包含同步邏輯，通過(guò)它將波特率發(fā)生器及為從機(jī)同步操作所使用
的外部輸入時(shí)鐘同步起來(lái)。XCK ( 發(fā)送器時(shí)鐘) 引腳只用于同步傳輸模式。發(fā)送器包括一個(gè)寫(xiě)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(xiě)緩
沖器可以保持連續(xù)發(fā)送數(shù)據(jù)而不會(huì)在數(shù)據(jù)幀之間引入延遲。由于接收器具有時(shí)鐘和數(shù)據(jù)
恢復(fù)單元，它是USART 模塊中最復(fù)雜的?；謴?fù)單元用于異步數(shù)據(jù)的接收。除了恢復(fù)單
元，接收器還包括奇偶校驗(yàn)，控制邏輯，移位寄存器和一個(gè)兩級(jí)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(cè)幀錯(cuò)誤，數(shù)據(jù)過(guò)速和奇偶校驗(yàn)錯(cuò)誤。

3、時(shí)鐘產(chǎn)生

1）USART支持4種模式的時(shí)鐘

時(shí)鐘產(chǎn)生邏輯為發(fā)送器和接收器產(chǎn)生基礎(chǔ)時(shí)鐘。USART 支持4 種模式的時(shí)鐘:正常的異
步模式，倍速的異步模式，主機(jī)同步模式，以及從機(jī)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(shí)，XCK 的數(shù)據(jù)方向寄存器
(DDR_XCK)決定時(shí)鐘源是由內(nèi)部產(chǎn)生(主機(jī)模式)還是由外部生產(chǎn)(從機(jī)模式)。僅在同步模
式下XCK 有效。

2）內(nèi)部時(shí)鐘用于異步模式和同步主機(jī)模式（這里我也不是很懂~~，專(zhuān)業(yè)術(shù)語(yǔ)太多，不過(guò)說(shuō)白了就是波特率的計(jì)算公式唄，不過(guò)好好看看肯定能明白的）

USART 的波特率寄存器UBRR 和降序計(jì)數(shù)器相連接，一起構(gòu)成可編程的預(yù)分頻器或波特
率發(fā)生器。降序計(jì)數(shù)器對(duì)系統(tǒng)時(shí)鐘計(jì)數(shù)，當(dāng)其計(jì)數(shù)到零或UBRRL 寄存器被寫(xiě)時(shí)，會(huì)自動(dòng)
裝入U(xiǎn)BRR 寄存器的值。當(dāng)計(jì)數(shù)到零時(shí)產(chǎn)生一個(gè)時(shí)鐘，該時(shí)鐘作為波特率發(fā)生器的輸出
時(shí)鐘，輸出時(shí)鐘的頻率為fosc/(UBRR+1)。發(fā)生器對(duì)波特率發(fā)生器的輸出時(shí)鐘進(jìn)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(shù)據(jù)
恢復(fù)單元。數(shù)據(jù)恢復(fù)單元使用了一個(gè)有2、8或16個(gè)狀態(tài)的狀態(tài)機(jī)，具體狀態(tài)數(shù)由UMSEL、
U2X 與 DDR_XCK 位設(shè)定的工作模式?jīng)Q定。
Table 60 給出了計(jì)算波特率(位/秒)以及計(jì)算每一種使用內(nèi)部時(shí)鐘源工作模式的UBRR值
的公式。

3）倍速工作模式

通過(guò)設(shè)定UCSRA 寄存器的U2X 可以使傳輸速率加倍。該位只對(duì)異步工作模式有效。當(dāng)
工作在同步模式時(shí)，設(shè)置該位為"0”。
設(shè)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(shí)接收
器只使用一半的采樣數(shù)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行采樣及時(shí)鐘恢復(fù)，因此在該模式下需要更精確的系統(tǒng)
時(shí)鐘與更精確的波特率設(shè)置。發(fā)送器則沒(méi)有這個(gè)要求。

4）外部時(shí)鐘（這些東西感覺(jué)都是扯淡的~~呵呵）

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

fsck

要注意fosc 由系統(tǒng)時(shí)鐘的穩(wěn)定性決定，為了防止因頻率漂移而丟失數(shù)據(jù)，建議保留足夠的
裕量。

5）同步時(shí)鐘操作

使用同步模式時(shí)(UMSEL = 1)XCK 引腳被用于時(shí)鐘輸入( 從機(jī)模式) 或時(shí)鐘輸出( 主機(jī)模
式)。時(shí)鐘的邊沿、數(shù)據(jù)的采樣與數(shù)據(jù)的變化之間的關(guān)系的基本規(guī)律是：在改變數(shù)據(jù)輸出
端TxD 的XCK 時(shí)鐘的相反邊沿對(duì)數(shù)據(jù)輸入端RxD 進(jìn)行采樣。

4、幀格式

串行數(shù)據(jù)幀由數(shù)據(jù)字加上同步位( 開(kāi)始位與停止位) 以及用于糾錯(cuò)的奇偶校驗(yàn)位構(gòu)成。

1）數(shù)據(jù)幀格式

? 1 個(gè)起始位
? 5、 6、 7、 8 或9 個(gè)數(shù)據(jù)位
? 無(wú)校驗(yàn)位、奇校驗(yàn)或偶校驗(yàn)位
? 1或2 個(gè)停止位
數(shù)據(jù)幀以起始位開(kāi)始；緊接著是數(shù)據(jù)字的最低位，數(shù)據(jù)字最多可以有9 個(gè)數(shù)據(jù)位，以數(shù)據(jù)
的最高位結(jié)束。如果使能了校驗(yàn)位，校驗(yàn)位將緊接著數(shù)據(jù)位，最后是結(jié)束位。當(dāng)一個(gè)完整
的數(shù)據(jù)幀傳輸后，可以立即傳輸下一個(gè)新的數(shù)據(jù)幀，或使傳輸線處于空閑狀態(tài)。Figure
72 所示為可能的數(shù)據(jù)幀結(jié)構(gòu)組合。括號(hào)中的位是可選的。

數(shù)據(jù)幀的結(jié)構(gòu)由UCSRB 和 UCSRC 寄存器中的UCSZ2:0、 UPM1:0、USBS 設(shè)定。接
收與發(fā)送使用相同的設(shè)置。設(shè)置的任何改變都可能破壞正在進(jìn)行的數(shù)據(jù)傳送與接收。

USART的字長(zhǎng)位UCSZ2:0確定了數(shù)據(jù)幀的數(shù)據(jù)位數(shù)；校驗(yàn)?zāi)Ｊ轿籙PM1:0用于使能與決
定校驗(yàn)的類(lèi)型； USBS 位設(shè)置幀有一位或兩位結(jié)束位。接收器忽略第二個(gè)停止位，因此
幀錯(cuò)誤(FE) 只在第一個(gè)結(jié)束位為"0” 時(shí)被檢測(cè)到。

2）校驗(yàn)位的計(jì)算

校驗(yàn)位的計(jì)算是對(duì)數(shù)據(jù)的各個(gè)位進(jìn)行異或運(yùn)算。如果選擇了奇校驗(yàn)，則異或結(jié)果還需要取
反。校驗(yàn)位與數(shù)據(jù)位的關(guān)系如下：

注意：校驗(yàn)位位于最后一個(gè)數(shù)據(jù)位與第一個(gè)停止位之間。

5、USART的寄存器及設(shè)置

1）USART I/O數(shù)據(jù)寄存器

USART 發(fā)送數(shù)據(jù)緩沖寄存器和USART 接收數(shù)據(jù)緩沖寄存器共享相同的I/O 地址，稱(chēng)為
USART 數(shù)據(jù)寄存器或UDR。將數(shù)據(jù)寫(xiě)入U(xiǎn)DR 時(shí)實(shí)際操作的是發(fā)送數(shù)據(jù)緩沖器存器
(TXB)，讀UDR 時(shí)實(shí)際返回的是接收數(shù)據(jù)緩沖寄存器(RXB) 的內(nèi)容。
在5、6、7 比特字長(zhǎng)模式下，未使用的高位被發(fā)送器忽略，而接收器則將它們?cè)O(shè)置為0。
只有當(dāng)UCSRA寄存器的UDRE標(biāo)志置位后才可以對(duì)發(fā)送緩沖器進(jìn)行寫(xiě)操作。如果UDRE
沒(méi)有置位，那么寫(xiě)入U(xiǎn)DR 的數(shù)據(jù)會(huì)被USART 發(fā)送器忽略。當(dāng)數(shù)據(jù)寫(xiě)入發(fā)送緩沖器后，
若移位寄存器為空，發(fā)送器將把數(shù)據(jù)加載到發(fā)送移位寄存器。然后數(shù)據(jù)串行地從TxD 引
腳輸出。
接收緩沖器包括一個(gè)兩級(jí)FIFO，一旦接收緩沖器被尋址FIFO 就會(huì)改變它的狀態(tài)。因此
不要對(duì)這一存儲(chǔ)單元使用讀- 修改- 寫(xiě)指令(SBI 和CBI)。使用位查詢(xún)指令(SBIC 和SBIS)
時(shí)也要小心，因?yàn)檫@也有可能改變FIFO 的狀態(tài)（這些東西果斷沒(méi)有用過(guò)）。

2）USART控制和狀態(tài)寄存器A

? Bit 7 – RXC: USART 接收結(jié)束
接收緩沖器中有未讀出的數(shù)據(jù)時(shí)RXC 置位，否則清零。接收器禁止時(shí)，接收緩沖器被刷
新，導(dǎo)致RXC 清零。RXC 標(biāo)志可用來(lái)產(chǎn)生接收結(jié)束中斷( 見(jiàn)對(duì)RXCIE 位的描述)。
? Bit 6 – TXC: USART 發(fā)送結(jié)束
發(fā)送移位緩沖器中的數(shù)據(jù)被送出，且當(dāng)發(fā)送緩沖器 (UDR) 為空時(shí)TXC 置位。執(zhí)行發(fā)送結(jié)
束中斷時(shí)TXC 標(biāo)志自動(dòng)清零，也可以通過(guò)寫(xiě)1 進(jìn)行清除操作。TXC 標(biāo)志可用來(lái)產(chǎn)生發(fā)送
結(jié)束中斷( 見(jiàn)對(duì)TXCIE 位的描述)。
? Bit 5 – UDRE: USART 數(shù)據(jù)寄存器空
UDRE標(biāo)志指出發(fā)送緩沖器(UDR)是否準(zhǔn)備好接收新數(shù)據(jù)。UDRE為1說(shuō)明緩沖器為空，已
準(zhǔn)備好進(jìn)行數(shù)據(jù)接收。UDRE標(biāo)志可用來(lái)產(chǎn)生數(shù)據(jù)寄存器空中斷(見(jiàn)對(duì)UDRIE位的描述)。
復(fù)位后UDRE 置位，表明發(fā)送器已經(jīng)就緒。
? Bit 4 – FE: 幀錯(cuò)誤
如果接收緩沖器接收到的下一個(gè)字符有幀錯(cuò)誤，即接收緩沖器中的下一個(gè)字符的第一個(gè)
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(dāng)接收到的
停止位為1 時(shí)， FE 標(biāo)志為0。對(duì)UCSRA 進(jìn)行寫(xiě)入時(shí)，這一位要寫(xiě)0。
? Bit 3 – DOR: 數(shù)據(jù)溢出
數(shù)據(jù)溢出時(shí)DOR 置位。當(dāng)接收緩沖器滿( 包含了兩個(gè)數(shù)據(jù))，接收移位寄存器又有數(shù)據(jù)，
若此時(shí)檢測(cè)到一個(gè)新的起始位，數(shù)據(jù)溢出就產(chǎn)生了。這一位一直有效直到接收緩沖器
(UDR) 被讀取。對(duì)UCSRA 進(jìn)行寫(xiě)入時(shí)，這一位要寫(xiě)0。
? Bit 2 – PE: 奇偶校驗(yàn)錯(cuò)誤
當(dāng)奇偶校驗(yàn)使能(UPM1 = 1)，且接收緩沖器中所接收到的下一個(gè)字符有奇偶校驗(yàn)錯(cuò)誤時(shí)
UPE 置位。這一位一直有效直到接收緩沖器 (UDR) 被讀取。對(duì)UCSRA 進(jìn)行寫(xiě)入時(shí)，這一
位要寫(xiě)0。
? Bit 1 – U2X: 倍速發(fā)送
這一位僅對(duì)異步操作有影響。使用同步操作時(shí)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(shè)置此位將啟動(dòng)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(shè)置的影響。

3）USART控制和狀態(tài)寄存器B

? Bit 7 – RXCIE: 接收結(jié)束中斷使能
置位后使能RXC 中斷。當(dāng)RXCIE 為1，全局中斷標(biāo)志位SREG 置位， UCSRA 寄存器
的RXC 亦為1 時(shí)可以產(chǎn)生USART 接收結(jié)束中斷。

? Bit 6 – TXCIE: 發(fā)送結(jié)束中斷使能
置位后使能TXC 中斷。當(dāng)TXCIE 為1，全局中斷標(biāo)志位SREG 置位，UCSRA 寄存器的
TXC 亦為1 時(shí)可以產(chǎn)生USART 發(fā)送結(jié)束中斷。
? Bit 5 – UDRIE: USART 數(shù)據(jù)寄存器空中斷使能
置位后使能UDRE 中斷。當(dāng)UDRIE 為1，全局中斷標(biāo)志位SREG 置位，UCSRA 寄存器
的UDRE 亦為1 時(shí)可以產(chǎn)生USART 數(shù)據(jù)寄存器空中斷。
? Bit 4 – RXEN: 接收使能
置位后將啟動(dòng)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(biāo)志無(wú)效。
? Bit 3 – TXEN: 發(fā)送使能
置位后將啟動(dòng)將啟動(dòng)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(shù)據(jù)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(méi)有要傳送的數(shù)據(jù)。發(fā)送器禁止后，TxD引腳恢復(fù)其通用I/O功能。
? Bit 2 – UCSZ2: 字符長(zhǎng)度
UCSZ2與UCSRC寄存器的UCSZ1:0結(jié)合在一起可以設(shè)置數(shù)據(jù)幀所包含的數(shù)據(jù)位數(shù)(字符
長(zhǎng)度)。
? Bit 1 – RXB8: 接收數(shù)據(jù)位 8
對(duì)9 位串行幀進(jìn)行操作時(shí)，RXB8 是第9 個(gè)數(shù)據(jù)位。讀取UDR 包含的低位數(shù)據(jù)之前首先
要讀取RXB8。
? Bit 0 – TXB8: 發(fā)送數(shù)據(jù)位8
對(duì)9 位串行幀進(jìn)行操作時(shí)，TXB8 是第9 個(gè)數(shù)據(jù)位。寫(xiě)UDR 之前首先要對(duì)它進(jìn)行寫(xiě)操作。