馮軍波

（中航工業(yè)西安航空計(jì)算技術(shù)研究所，陜西西安，710068）

0 引言

串行通訊接口（俗稱(chēng)COM 接口或串口），是采用串行通訊方式的擴(kuò)展接口。數(shù)據(jù)一位一位地順序傳送，最少只需一根傳輸線即可完成，成本低但傳送速度慢。其通信方式分為同步串行（Serial Peripheral interface）、異步串行（UART）。同步通信是指通信雙方由統(tǒng)一時(shí)標(biāo)控制數(shù)據(jù)傳送。異步通信要求統(tǒng)一操作時(shí)間，采用應(yīng)答方式，即主模塊發(fā)出請(qǐng)求，一直等待從模塊反饋回來(lái)的“響應(yīng)”后，才開(kāi)始通信。

常用的串行通訊接口包括以下幾種：

RS-232：不平衡傳輸方式，即單端通訊，為點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通訊而設(shè)計(jì)，適合本地設(shè)備間通訊，最大傳輸速率20kb/s。

RS-422：平橫傳輸方式，點(diǎn)對(duì)多雙向通訊，即一個(gè)主設(shè)備，多個(gè)從設(shè)備，從設(shè)備之間不能通訊。最多接10 個(gè)節(jié)點(diǎn)，最大傳輸速率10Mb/s。

RS-485：在RS-422 的基礎(chǔ)上發(fā)展而來(lái)，可多接32 個(gè)設(shè)備，最大傳輸速率10Mb/s。

1 芯片內(nèi)部結(jié)構(gòu)

國(guó)微電子的串行通訊接口芯片SMHK381 是雙通道，圖中用通道A、通道B 標(biāo)識(shí)。該芯片兼容EXAR 公司XR-88C681、Motorola 公 司MC2681 以 及Signetics 公 司SCC2692。其內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

圖1 SMHK381 芯片內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖

通道A 和通道B 分別包含全雙工異步接收器和發(fā)送器，兩個(gè)通道可以獨(dú)立地選擇工作頻率和工作方式進(jìn)行數(shù)據(jù)的收發(fā)。

輸入/輸出端口可以作為通用的輸入/輸出端口，也可以作為特殊功能使用。如將輸入端口作為外部時(shí)鐘輸入，將輸出端口用來(lái)輸出發(fā)送器就緒信號(hào)。

數(shù)據(jù)總線緩沖器在(芯片)內(nèi)部與外部的數(shù)據(jù)總線之間提供數(shù)據(jù)緩沖，由操作控制單元控制，允許數(shù)據(jù)再CPU 與DUART 之間轉(zhuǎn)移。

操作控制模塊從CPU 收到操作命令，產(chǎn)生合適的信號(hào)到DUART 中的各個(gè)部分。具體而言，它負(fù)責(zé)進(jìn)行DUART內(nèi)部寄存器地址譯碼和命令譯碼。所有的命令，包括設(shè)置波特率、奇偶校驗(yàn)、通信協(xié)議參數(shù)、啟動(dòng)或停止Counter/Timer、或通過(guò)讀狀態(tài)寄存器監(jiān)視數(shù)據(jù)通信性能。

中斷控制塊允許用戶(hù)將DUART 應(yīng)用到中斷驅(qū)動(dòng)的環(huán)境中。DUART 提供了一個(gè)中斷請(qǐng)求輸出信號(hào)(-INTR)，在發(fā)生下列任何事件的情況下可發(fā)出中斷請(qǐng)求信號(hào)：

(1)通道的接收或發(fā)送保持寄存器就緒；

(2)通道的接收先進(jìn)先出隊(duì)列滿(mǎn)；

(3)在通道A 或B 中收到Break 開(kāi)始或結(jié)束；

(4)Counter/Timer 計(jì)數(shù)完成；

(5)輸入引腳（IP0，IP1，IP2，IP3）發(fā)生變化。

2 數(shù)據(jù)接收

SMHK381 通道的接收器（由接收移位寄存器RSR 和接收保持寄存器RHR 組成）從RxDn 接收串行數(shù)據(jù)，經(jīng)過(guò)RSR 轉(zhuǎn)換成并行的數(shù)據(jù)格式，送到RHR（RHR 實(shí)際上是一個(gè)深度為三個(gè)字節(jié)的FIFO ）。然后，這個(gè)字符將通過(guò)FIFO進(jìn)行處理。一旦接收的字符被送到FIFO 的頂部，當(dāng)CPU讀RHR 時(shí)就可以讀取這個(gè)字符[1]。接收器示意如圖2 所示。

圖2 接收器RSR 和RHR 示意圖

SMHK381 芯片支持中斷方式接收數(shù)據(jù)，接收中斷的觸發(fā)條件如下：

RXRDY（接收器準(zhǔn)備好）：RHR 里至少有一個(gè)字符等待CPU 讀取。

FFULL ：接收FIFO 已滿(mǎn)。

軟件可通過(guò)設(shè)置MR（通道模式寄存器）來(lái)選擇RXRDY滿(mǎn)足時(shí)發(fā)出中斷還是FFULL 條件滿(mǎn)足時(shí)發(fā)出中斷。

在設(shè)置了中斷掩碼寄存器IMR[1]（A 通道）和IMR[5]（B通道）位后，將會(huì)使能上述中斷，一旦滿(mǎn)足上述條件，串口將向CPU 發(fā)送中斷請(qǐng)求，軟件可通過(guò)中斷服務(wù)函數(shù)將數(shù)據(jù)從串口取走。

3 數(shù)據(jù)發(fā)送

CPU 把并行數(shù)據(jù)傳給SMHK381 通道的發(fā)送器(發(fā)送移位寄存器TSR 和發(fā)送保持寄存器THR)，發(fā)送器將其轉(zhuǎn)換成串行數(shù)據(jù)流，并根據(jù)異步通信協(xié)議要求，加上用于通知接收器操作的起始位、停止位及可選的校驗(yàn)位（最高有效位和停止位之間，可通過(guò)模式寄存器配置），然后從TxDn 引腳輸出。發(fā)送器示意如圖3 所示。

圖3 發(fā)送器THR 和TSR 示意圖

發(fā)送器可以通過(guò)命令寄存器CR 來(lái)使能和禁止。當(dāng)在THR 和TSR 中還有字符時(shí)發(fā)出命令禁止發(fā)送器，發(fā)送器仍將繼續(xù)發(fā)送THR 和TSR 中剩余的字符，直到THR 和TSR完全空為止。一旦執(zhí)行了禁止發(fā)送器命令，就不能再向THR 中寫(xiě)入新的數(shù)據(jù)。

SMHK381 芯片同樣支持中斷方式發(fā)送數(shù)據(jù)，工作機(jī)制是每發(fā)送完一個(gè)字節(jié)的數(shù)據(jù)后會(huì)觸發(fā)中斷條件，串口向CPU 產(chǎn)生一次中斷，中斷處理程序再發(fā)送下一個(gè)字節(jié)，直到數(shù)據(jù)發(fā)送完成。這里有兩點(diǎn)需要注意：一個(gè)是在發(fā)送數(shù)據(jù)之前并沒(méi)有發(fā)送字節(jié)完成來(lái)觸發(fā)中斷，那么第一個(gè)字節(jié)是如何發(fā)出的；另一個(gè)是怎樣才算數(shù)據(jù)發(fā)送完成。第一個(gè)問(wèn)題涉及中斷在硬件層面的觸發(fā)方式：若為電平觸發(fā)的中斷，當(dāng)發(fā)送緩沖區(qū)為空時(shí)，其所處的電平狀態(tài)就會(huì)在中斷被使能后直接觸發(fā)，導(dǎo)致第一個(gè)字節(jié)在中斷服務(wù)函數(shù)中被發(fā)出；如果是電平跳變觸發(fā)的中斷，為了印發(fā)中斷，只好把第一個(gè)字節(jié)先手動(dòng)發(fā)出，由此引發(fā)一個(gè)中斷“多米諾”效應(yīng)，把后面的字節(jié)依次發(fā)送出去[2]。第二個(gè)問(wèn)題的解決是用參數(shù)指定欲發(fā)送字節(jié)數(shù)決定的，待發(fā)送字節(jié)達(dá)到指定數(shù)目，在中斷處理函數(shù)禁止相應(yīng)中斷，于是多米諾效應(yīng)就會(huì)停止。

4 應(yīng)用場(chǎng)景

試驗(yàn)中將SMHK381 芯片應(yīng)用在PPC755 處理器上，實(shí)現(xiàn)了兩路RS232 接口，按8位數(shù)據(jù)寬度進(jìn)行訪問(wèn)，接口的工作時(shí)鐘采用3.6864MHz，兩路接口采用三線制傳輸，最大速率115kbps。應(yīng)用場(chǎng)景連接框圖如圖4 所示。

圖4 SMHK381 芯片應(yīng)用場(chǎng)景連接框圖

在線路連接上PPC755 處理器通過(guò)107 橋片連接FPGA 芯片，F(xiàn)PGA 內(nèi)部設(shè)計(jì)PCILBE 橋邏輯，實(shí)現(xiàn)PPC750 對(duì)LBE 總線上的SMHK381 串口的訪問(wèn)與控制。SMHK381 芯片引出兩路RS232，一路用于連接PC 的超級(jí)終端，用于輸出打印信息，一路用于連接PC 機(jī)上的開(kāi)發(fā)環(huán)境，用于軟件開(kāi)發(fā)人員進(jìn)行程序的下載調(diào)試。使用超級(jí)終端輸出打印信息時(shí)設(shè)置每秒位數(shù)為115200，數(shù)據(jù)位為8，奇偶校驗(yàn)為無(wú)，停止位為1，數(shù)據(jù)流控制選擇無(wú)。當(dāng)模塊供電后，超級(jí)終端上會(huì)顯示啟動(dòng)信息，表明第一路RS232 工作正常，待啟動(dòng)完畢后，可使用PC機(jī)上的軟件開(kāi)發(fā)環(huán)境通過(guò)第二路RS232 連接模塊并下載和調(diào)試應(yīng)用程序，表明第二路RS232 也工作正常。

5 結(jié)束語(yǔ)

現(xiàn)代科技離不開(kāi)芯片，我國(guó)在芯片技術(shù)領(lǐng)域起步晚且落后于歐美國(guó)家，研究芯片結(jié)構(gòu)和原理有助于改變這種現(xiàn)狀。發(fā)展科技的必由之路就是模仿、趕追并且超越，掌握扎實(shí)的基礎(chǔ)工藝，弄清復(fù)雜的工作原理，才能設(shè)計(jì)和制造屬于我們的國(guó)產(chǎn)芯片。