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[导读]五、ATMEGA16的USART与PC机串行通信五—(01)、PC机发送字符给单片机控制发光管亮,同时将其传回PC机,其中单片机的发送和接收都采用查询方式(下一篇中有例程~)1、USART的主要特点通用同步和异步串行接收器和转发

五、ATMEGA16的USART与PC机串行通信

五—(01)、PC机发送字符给单片机控制发光管亮,同时将其传回PC机,其中单片机的发送和接收都采用查询方式(下一篇中有例程~)

1、USART的主要特点

通用同步和异步串行接收器和转发器(USART) 是一个高度灵活的串行通讯设备。主要特
点为:
? 全双工操作( 独立的串行接收和发送寄存器)
? 异步或同步操作
? 主机或从机提供时钟的同步操作
? 高精度的波特率发生器
? 支持5, 6, 7, 8, 或9 个数据位和1 个或2 个停止位
? 硬件支持的奇偶校验操作
? 数据过速检测
? 帧错误检测
? 噪声滤波,包括错误的起始位检测,以及数字低通滤波器
? 三个独立的中断:发送结束中断, 发送数据寄存器空中断,以及接收结束中断
? 多处理器通讯模式
? 倍速异步通讯模式

2、异步串行收发器

USART 分为了三个主要部分: 时钟发生器,发送器和接收器。控制寄存器由三
个单元共享。时钟发生器包含同步逻辑,通过它将波特率发生器及为从机同步操作所使用
的外部输入时钟同步起来。XCK ( 发送器时钟) 引脚只用于同步传输模式。发送器包括一个写缓冲器,串行移位寄存器,奇偶发生器以及处理不同的帧格式所需的控制逻辑。写缓
冲器可以保持连续发送数据而不会在数据帧之间引入延迟。由于接收器具有时钟和数据
恢复单元,它是USART 模块中最复杂的。恢复单元用于异步数据的接收。除了恢复单
元,接收器还包括奇偶校验,控制逻辑,移位寄存器和一个两级接收缓冲器UDR。接收
器支持与发送器相同的帧格式,而且可以检测帧错误,数据过速和奇偶校验错误。

3、时钟产生

1)USART支持4种模式的时钟

时钟产生逻辑为发送器和接收器产生基础时钟。USART 支持4 种模式的时钟:正常的异
步模式,倍速的异步模式,主机同步模式,以及从机同步模式。USART 控制位UMSEL
和状态寄存器C (UCSRC) 用于选择异步模式和同步模式。倍速模式( 只适用于异步模式
) 受控于UCSRA 寄存器的U2X。使用同步模式 (UMSEL = 1) 时,XCK 的数据方向寄存器
(DDR_XCK)决定时钟源是由内部产生(主机模式)还是由外部生产(从机模式)。仅在同步模
式下XCK 有效。





2)内部时钟用于异步模式和同步主机模式(这里我也不是很懂~~,专业术语太多,不过说白了就是波特率的计算公式呗,不过好好看看肯定能明白的)

USART 的波特率寄存器UBRR 和降序计数器相连接,一起构成可编程的预分频器或波特
率发生器。降序计数器对系统时钟计数,当其计数到零或UBRRL 寄存器被写时,会自动
装入UBRR 寄存器的值。当计数到零时产生一个时钟,该时钟作为波特率发生器的输出
时钟,输出时钟的频率为fosc/(UBRR+1)。发生器对波特率发生器的输出时钟进行2、8
或16 的分频,具体情况取决于工作模式。波特率发生器的输出被直接用于接收器与数据
恢复单元。数据恢复单元使用了一个有2、8或16个状态的状态机,具体状态数由UMSEL、
U2X 与 DDR_XCK 位设定的工作模式决定。
Table 60 给出了计算波特率(位/秒)以及计算每一种使用内部时钟源工作模式的UBRR值
的公式。



3)倍速工作模式

通过设定UCSRA 寄存器的U2X 可以使传输速率加倍。该位只对异步工作模式有效。当
工作在同步模式时,设置该位为"0”。
设置该位把波特率分频器的分频值从16 降到8,使异步通信的传输速率加倍。此时接收
器只使用一半的采样数对数据进行采样及时钟恢复,因此在该模式下需要更精确的系统
时钟与更精确的波特率设置。发送器则没有这个要求。

4)外部时钟(这些东西感觉都是扯淡的~~呵呵)

同步从机操作模式由外部时钟驱动,如Figure 70 所示。
输入到XCK 引脚的外部时钟由同步寄存器进行采样,用以提高稳定性。同步寄存器的输
出通过一个边沿检测器,然后应用于发送器与接收器。这一过程引入了两个CPU 时钟周
期的延时,因此外部XCK 的最大时钟频率由以下公式限制:

fsck

要注意fosc 由系统时钟的稳定性决定,为了防止因频率漂移而丢失数据,建议保留足够的
裕量。

5)同步时钟操作

使用同步模式时(UMSEL = 1)XCK 引脚被用于时钟输入( 从机模式) 或时钟输出( 主机模
式)。时钟的边沿、数据的采样与数据的变化之间的关系的基本规律是:在改变数据输出
端TxD 的XCK 时钟的相反边沿对数据输入端RxD 进行采样。

4、帧格式

串行数据帧由数据字加上同步位( 开始位与停止位) 以及用于纠错的奇偶校验位构成。

1)数据帧格式

? 1 个起始位
? 5、 6、 7、 8 或9 个数据位
? 无校验位、奇校验或偶校验位
? 1或2 个停止位
数据帧以起始位开始;紧接着是数据字的最低位,数据字最多可以有9 个数据位,以数据
的最高位结束。如果使能了校验位,校验位将紧接着数据位,最后是结束位。当一个完整
的数据帧传输后,可以立即传输下一个新的数据帧,或使传输线处于空闲状态。Figure
72 所示为可能的数据帧结构组合。括号中的位是可选的。



数据帧的结构由UCSRB 和 UCSRC 寄存器中的UCSZ2:0、 UPM1:0、USBS 设定。接
收与发送使用相同的设置。设置的任何改变都可能破坏正在进行的数据传送与接收。

USART的字长位UCSZ2:0确定了数据帧的数据位数;校验模式位UPM1:0用于使能与决
定校验的类型; USBS 位设置帧有一位或两位结束位。接收器忽略第二个停止位,因此
帧错误(FE) 只在第一个结束位为"0” 时被检测到。

2)校验位的计算

校验位的计算是对数据的各个位进行异或运算。如果选择了奇校验,则异或结果还需要取
反。校验位与数据位的关系如下:



注意:校验位位于最后一个数据位与第一个停止位之间。

5、USART的寄存器及设置

1)USART I/O数据寄存器



USART 发送数据缓冲寄存器和USART 接收数据缓冲寄存器共享相同的I/O 地址,称为
USART 数据寄存器或UDR。将数据写入UDR 时实际操作的是发送数据缓冲器存器
(TXB),读UDR 时实际返回的是接收数据缓冲寄存器(RXB) 的内容。
在5、6、7 比特字长模式下,未使用的高位被发送器忽略,而接收器则将它们设置为0。
只有当UCSRA寄存器的UDRE标志置位后才可以对发送缓冲器进行写操作。如果UDRE
没有置位,那么写入UDR 的数据会被USART 发送器忽略。当数据写入发送缓冲器后,
若移位寄存器为空,发送器将把数据加载到发送移位寄存器。然后数据串行地从TxD 引
脚输出。
接收缓冲器包括一个两级FIFO,一旦接收缓冲器被寻址FIFO 就会改变它的状态。因此
不要对这一存储单元使用读- 修改- 写指令(SBI 和CBI)。使用位查询指令(SBIC 和SBIS)
时也要小心,因为这也有可能改变FIFO 的状态(这些东西果断没有用过)。

2)USART控制和状态寄存器A



? Bit 7 – RXC: USART 接收结束
接收缓冲器中有未读出的数据时RXC 置位,否则清零。接收器禁止时,接收缓冲器被刷
新,导致RXC 清零。RXC 标志可用来产生接收结束中断( 见对RXCIE 位的描述)。
? Bit 6 – TXC: USART 发送结束
发送移位缓冲器中的数据被送出,且当发送缓冲器 (UDR) 为空时TXC 置位。执行发送结
束中断时TXC 标志自动清零,也可以通过写1 进行清除操作。TXC 标志可用来产生发送
结束中断( 见对TXCIE 位的描述)。
? Bit 5 – UDRE: USART 数据寄存器空
UDRE标志指出发送缓冲器(UDR)是否准备好接收新数据。UDRE为1说明缓冲器为空,已
准备好进行数据接收。UDRE标志可用来产生数据寄存器空中断(见对UDRIE位的描述)。
复位后UDRE 置位,表明发送器已经就绪。
? Bit 4 – FE: 帧错误
如果接收缓冲器接收到的下一个字符有帧错误,即接收缓冲器中的下一个字符的第一个
停止位为0,那么FE 置位。这一位一直有效直到接收缓冲器(UDR) 被读取。当接收到的
停止位为1 时, FE 标志为0。对UCSRA 进行写入时,这一位要写0。
? Bit 3 – DOR: 数据溢出
数据溢出时DOR 置位。当接收缓冲器满( 包含了两个数据),接收移位寄存器又有数据,
若此时检测到一个新的起始位,数据溢出就产生了。这一位一直有效直到接收缓冲器
(UDR) 被读取。对UCSRA 进行写入时,这一位要写0。
? Bit 2 – PE: 奇偶校验错误
当奇偶校验使能(UPM1 = 1),且接收缓冲器中所接收到的下一个字符有奇偶校验错误时
UPE 置位。这一位一直有效直到接收缓冲器 (UDR) 被读取。对UCSRA 进行写入时,这一
位要写0。
? Bit 1 – U2X: 倍速发送
这一位仅对异步操作有影响。使用同步操作时将此位清零。
此位置1 可将波特率分频因子从16 降到8,从而有效的将异步通信模式的传输速率加倍。
? Bit 0 – MPCM: 多处理器通信模式
设置此位将启动多处理器通信模式。MPCM 置位后, USART 接收器接收到的那些不包
含地址信息的输入帧都将被忽略。发送器不受MPCM设置的影响。

3)USART控制和状态寄存器B



? Bit 7 – RXCIE: 接收结束中断使能
置位后使能RXC 中断。当RXCIE 为1,全局中断标志位SREG 置位, UCSRA 寄存器
的RXC 亦为1 时可以产生USART 接收结束中断。

? Bit 6 – TXCIE: 发送结束中断使能
置位后使能TXC 中断。当TXCIE 为1,全局中断标志位SREG 置位,UCSRA 寄存器的
TXC 亦为1 时可以产生USART 发送结束中断。
? Bit 5 – UDRIE: USART 数据寄存器空中断使能
置位后使能UDRE 中断。当UDRIE 为1,全局中断标志位SREG 置位,UCSRA 寄存器
的UDRE 亦为1 时可以产生USART 数据寄存器空中断。
? Bit 4 – RXEN: 接收使能
置位后将启动USART 接收器。RxD 引脚的通用端口功能被USART 功能所取代。禁止
接收器将刷新接收缓冲器,并使 FE、DOR 及PE 标志无效。
? Bit 3 – TXEN: 发送使能
置位后将启动将启动USART 发送器。TxD 引脚的通用端口功能被USART 功能所取代。
TXEN 清零后,只有等到所有的数据发送完成后发送器才能够真正禁止,即发送移位寄存
器与发送缓冲寄存器中没有要传送的数据。发送器禁止后,TxD引脚恢复其通用I/O功能。
? Bit 2 – UCSZ2: 字符长度
UCSZ2与UCSRC寄存器的UCSZ1:0结合在一起可以设置数据帧所包含的数据位数(字符
长度)。
? Bit 1 – RXB8: 接收数据位 8
对9 位串行帧进行操作时,RXB8 是第9 个数据位。读取UDR 包含的低位数据之前首先
要读取RXB8。
? Bit 0 – TXB8: 发送数据位8
对9 位串行帧进行操作时,TXB8 是第9 个数据位。写UDR 之前首先要对它进行写操作。

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