第5章 通用同步、异步收发器USART
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第 5章
通用同步/异步收发器USART
第5章 通用同步/异步收发器USART
USART（Universal Synchronous / Asynchronous Receive / Transmit）是MSP430单片机的重要外围串行通信接口。 MSP430F449有2个USART：USART0和USART1。 USART可以工作于异步模式，即通用异步收发(UART)， USART也可以工作于同步模式，即SPI（Serial Peripheral Interface串行外设接口）。
URXSE = 1时，串行口检测到UART起始位是就产生接收中断，退出低 功耗模式。中断程序通过查询URXIFGx可以判断是起始中断还是结束中断。
b5～４：SSEL1，SSEL0： 时钟源选择。时钟源是计算波特率字的主要依据。
SSEL1-0 00 01 10，11
时钟源 UCLKI ACLK SMCLK
起始中断 URXSEx = 1 URXIFGx = 0
接收中断 URXSEx = 0 URXIFGx = 1
S
D0
D1
D2
D3
D4
D5
D6
D7
P
S
正常情况下，UART的接收中断应该是接收到一个有效的UART帧时发 生，此时RXBUFx是收到的数据，其它时间RXBUFx数据无效（或是前一帧 的数据）。 MSP430单片机有多种低功耗运行模式，例如在LM3模式下，MCLK、 SMCLK都是关闭。如果UART使用的是SMCLK，在正式接收UART数据前 就必须启动SMCLK。任何中断都会自动退出低功耗模，启动SMCLK。
32768 =3.413 计算： 9600
注意：UBRx ≥ 3，如果UBRx < 3, 波特率将会出现不可预见的错误。
整数：3 ；UBR11=00h，UBR01=03h 调整：0.413×8=3.304≈3 ；UMTCL1有3个比特为1， ；取UMTCL1=01001001b=49h 波特率误差：
USART控制寄存器UCTL： UCTL0（070h)，UCTL1（078h) 7 6 5 4 3
PENA PEV SP CHAR LISTEN
2
SYNC
1
MM
0
SWRST
b0：SWRST：软件复位USART状态机。 0：USART正常运行 1：初始化USART的状态机，运行标志初始化成初始状态 b1：MM：多处理器模式选择。 0：线路空闲多处理机协议(常规的异步协议) 1：地址位多处理机协议 b2：SYNC：同步模式使能。 0：UART模式 1：SPI模式
如
m = 2,
i 0
11000000b、01100000b、00110000b、……10001000b、 01000100b、00100001b、00010001b等。 UMTCLx的作用是对波特率误差进行插补修正，因此 UMTCLx中的“1”应该均匀分布。例如 如
m = 2时,
i 0 i
S D0 D2 D4 D5 D6 D7 S
D1
D3
P
5．1．3 异步通信模式 线路空闲多处理机模式: 在这种模式下，数据块被一段空 闲时间分隔。在字符的第一个停止位之后接收到10个以上 的”1”，则表示检测到接收线路空闲。
地址位格式：在这种模式下，字符包含一额外的位作为 地址标识。数据块的第一个字符携带一个置位的地址位，以 表明该字符是一地址。当接收字符是地址时RXWake位置位， 并且被送入接收缓存URXBUF（允许接收时）。 正常情况下，如果USART的URXWIE位置位，数据字符按 通常方式在接收器拼装，但是它们不会送入接收缓存URXBUF， 也不会产生中断。只有当接收到一个地址位置位的字符，接 收器暂时被激活，字符送入URXBUF，同时URXIFG置位。相应 的错误状态标志将置位。应用软件按有效利用资源、降低功 耗的原则作后续操作。应用软件可验证接收到的地址。如果 匹配，处理机将读取数据块的后续数据；如果地址不匹配， 处理机将等待下一地址字符的到来。
随着单片机计算能力的增强，大多数UART通信都采用可 靠性更高的校验方法，如累加和法、CRC校验法等。 采用累 加和法或CRC校验法通信时，奇偶校验位PA将被省略。
6、停止位P： UART可选的停止位包括1，1.5，2。 停止位是UART帧的最后信息元，单片机在收到停止位后必 须进行相应的处理，如存储RXD的数据，根据通信协议进行 数据串处理。 过去由于处理器的处理能力(速度)有限，1位停止位的时间 可能不够进行处理，所以希望发送端在发送完1帧数据后能够 多留时间给接受端处理数据。 目前由于单片机的处理速度足够快，所以绝大多数UART通 信只采用一个停止位。 目前常用的UART的帧格式为：（1，8，n，1），即1个起 始位；8个数据位；无校验位；1个停止位。
b3：URXEIE：接收错误字符中断使能 0：只要有错误字符都不改变URXIFG 1：所有字符都使URXIFG置位
b4：BRK：数据链断裂标志。 当RXD连续10bit(一帧UART)都是0，BRK被置位 0：数据链链断裂 1：数据链断裂 b5：OE：URXBUF溢出标志。 当接收到的字符送进URXBUF时，前一个字符还没有读走 0：无溢出 1：URXBUF溢出 b6：PE：奇偶校验出错。 当校验允许PENA = 0时， PE总是0。 0：无错误 1：奇偶校验出错 b7：FE：停止位错误。 没有停止位，或停止位不完整。 0：停止位正常 1：停止位错误
4、地址位AD： MSP430单片机的UART模块支持多机通信(类似于Bitbus总 线 )。
多机通信的各个节点都有自己的独立编号，即地址。以便 所有收到数据的节点可以判断是否相应该串数据。
多机通信数据串的第一个帧总是节点地址，即AD = 1；数 据串的其余帧都是数据，即AD = 0。 有些多机通信可以靠数据串协议识别地址，可以不用AD地 址位。所以AD是可选项，不是必选项。
7
UMTCLx = 10001000b、01000100b、 001000010b、00010001b就比较合理
举例：1、串行口1： 波特率时钟采用子系统时钟：BRCLK=SMCLK=1048576Hz 波特率：9600。
1048576 计算： =109.227 9600
整数：109 = 006Dh ；UBR11=00h，UBR01=6Dh 调整：0.227×8=1.816≈2 ；UMTCL1有2个比特为1， ；取UMTCL1=00100010b=22h 波特率误差：
发送控制寄存器UTCTL： UTCTL0（071h)，UTCTL1（079h) 7 6 5 4 3
未用 CKPL SSEL1，SSEL0 URXSE
2
TXWAKE
1
未用
0
TXEPT
b0：TXEPT：发送缓冲器空闲标志。 0：发送缓冲器忙，有数据正在发送 1：发送缓冲器空，可以发送新数据 b2：TXWAKE：传送唤醒。 0：下一帧发送的是数据 1：下一帧发送的是地址 b3：URXSE：UART接收起始沿中断选择。 0：禁止接收沿中断 1：允许接收沿中断
b3：LISTEN：侦听使能。 0：不侦听 1：RXD侦听由TXD发送出的数据，即自发自收。 b4：CHAR：字符长度选择。 0：7位有效数据，Bit7填0 1：8位有效数据。 b5：SP：停止位长度选择。 0：1位停止位 1：2停止位。 b6：PEV：奇偶校验选择(PENA = 1时有效) 0：奇校验 1：偶校验。 b7：PENA：校验允许。 0：无校验位 1：奇偶校验(位)允许。
5．1．4 UART的波特率 波特率：通信速率，单位bps(bit/s)。UART的标准波特率包括300、600、 1200、2400、4800、9600、19200……。 UART的收发双方的波特率必须是一致的。 5．1．5 异步模式下的寄存器 控制和状态寄存器：USART模块的硬件是字节结构的，必须用字节指令 访问（后缀“B”）。 寄存器 USART控制寄存器 发送控制寄存器 接收控制寄存器 波特率调整寄存器 波特率寄存器0 波特率寄存器1 接收缓存 发送缓存 符号 CTL UTCTL URCTL UMCTL UBR0 UBR1 URXBUF UTXBUF 说明 设置串行口模块的工作方式,查询状态 选择串行口时钟源,查询发送状态等 选择纠错方式,查询接收状态等 对波特率误差进行插补修正 波特率字低位 波特率字高位 接收到的数据从URXBUF中读出 准备发送的数据送入UTXBUF
波特率选择和调制控制寄存器： UBR00(074h)、UBR01(07Ch)： 波特率低位； UBR10(075h)、UBR11(07Dh)： 波特率高位； UMTCL0(073h)、UMTCL1(07Bh)：波特调整(小数)寄存器；
波特率时钟 Baud rate = 波特率字 波特率调整
ΔB= 标准波特率 - 实际波特率 标准波特率字 ×100%
9600 =
B R C LK 1048576 9600 1 7 2 U BR x+ m i 109 + 8 i= 0 8 ×100% 0. ×100% = 02% 9600 9600
2、串行口0： 波特率时钟采用辅助时钟：BRCLK = ACLK = 32768Hz 波特率：9600。
5．1 通用异步串行接口UART 在异步模式下，接收器实现自身帧同步，及收发双方单 片机不使用同一个时钟源。 波特率由收发双方的单片机各自产生。
5．1．1 串口操作的基本步骤 略，见后面的编程举例
5．1．2 通用异步串行口的数据格式 异步帧格式由以下几部分组成: 1个起始位; 7或8个数据位； 奇/偶/无校验位（可选）； 1个地址位（地址位模式，可选） 1或2个停止位组成。
5、校验位PA： 标准的UART帧可以包括奇偶校验位PA。是奇校验就计算 前7位（或8位）的１的个数。是奇数，则在第八位填０，是 偶数，则在第八位填１。偶校验类推。接收方以此为判断传 输的正确性。 偶校验只能检验一位码元的错误，如果出现两位同时出错， 就会出现校验错误。在通信背景噪声严重的系统中通信，出 现一位码元以上的错误啊常有的，所以奇偶校验并不十分可 靠。
2
1
RXWAKE
0
RXERR
URXWIE
b0：RXERR：接收错误标志。详见BRK、OE、PE、FE。 0：没有错误 1：接收错误 b1：RXWAKE：接收唤醒检测。地址位多处理机协议时使用 0：收到的字符是数据 1：收到的字符是地址 b2：URXWIE：接收中断类型选择 0：收到所有字符都产生中断URXIFGx 1：只有收到地址字符才产生中断URXIFGx
S
D0
D1
D2
D3D4Biblioteka D5D6D7 AD
PA
P1
P2
S
1、UART的空闲： 在没有串行数据收发时，串行口的发送端TXD始终保持高 电平。
2、起始位S： UART的每一帧数据都是由一个从高电平到低电平的跳变开 始。 接收端收到的第一个负跳变沿就当做一个新的接受帧的开始， 并且用这个负跳变沿校准接受端的帧同步时钟。 3、数据位Dx： UART的数据发送总是先方式低位，再发送高位即： D0，D1，D2……D6，D7。 UART的数据位可以是7位(此时D7 ≡ 0)，也可以是8位。 7位数据主要是为发送ASCII码设计的(数据范围00h～7Fh)， 但仍然是发送8个数据位，仅仅是D7 ≡ 0。 8位数据可以发送00h～0FFh的任何数据，所以8位数模式可 以发送包括ASCII码在内的任何数据。
说明 外部时钟源 辅助时钟 子系统时钟
b6：CKPL：时钟极性。 CKPL位控制外部时钟UCLKI信号的极性 0： UCLKI UCLK 1: UCLKI UCLK
接收控制寄存器URCTL：
URCTL0(072h)，URCTL1(07Ah) 7 6 5 4 3
FE PE OE BRK URXEIE
其中
m
i 0
7
BRCLK 1 7 UBRx mi 8 i 0
i
表示UMTCLx中， “1”的个数:
7 mi 0 i 0 min
7 mi 8 i 0 max
相同的
7
m
i 0 i
7
i
值可以有不同的UMTCLx。 UMTCLx可选的数为：
通用同步/异步收发器USART
第5章 通用同步/异步收发器USART
USART（Universal Synchronous / Asynchronous Receive / Transmit）是MSP430单片机的重要外围串行通信接口。 MSP430F449有2个USART：USART0和USART1。 USART可以工作于异步模式，即通用异步收发(UART)， USART也可以工作于同步模式，即SPI（Serial Peripheral Interface串行外设接口）。
URXSE = 1时，串行口检测到UART起始位是就产生接收中断，退出低 功耗模式。中断程序通过查询URXIFGx可以判断是起始中断还是结束中断。
b5～４：SSEL1，SSEL0： 时钟源选择。时钟源是计算波特率字的主要依据。
SSEL1-0 00 01 10，11
时钟源 UCLKI ACLK SMCLK
起始中断 URXSEx = 1 URXIFGx = 0
接收中断 URXSEx = 0 URXIFGx = 1
S
D0
D1
D2
D3
D4
D5
D6
D7
P
S
正常情况下，UART的接收中断应该是接收到一个有效的UART帧时发 生，此时RXBUFx是收到的数据，其它时间RXBUFx数据无效（或是前一帧 的数据）。 MSP430单片机有多种低功耗运行模式，例如在LM3模式下，MCLK、 SMCLK都是关闭。如果UART使用的是SMCLK，在正式接收UART数据前 就必须启动SMCLK。任何中断都会自动退出低功耗模，启动SMCLK。
32768 =3.413 计算： 9600
注意：UBRx ≥ 3，如果UBRx < 3, 波特率将会出现不可预见的错误。
整数：3 ；UBR11=00h，UBR01=03h 调整：0.413×8=3.304≈3 ；UMTCL1有3个比特为1， ；取UMTCL1=01001001b=49h 波特率误差：
USART控制寄存器UCTL： UCTL0（070h)，UCTL1（078h) 7 6 5 4 3
PENA PEV SP CHAR LISTEN
2
SYNC
1
MM
0
SWRST
b0：SWRST：软件复位USART状态机。 0：USART正常运行 1：初始化USART的状态机，运行标志初始化成初始状态 b1：MM：多处理器模式选择。 0：线路空闲多处理机协议(常规的异步协议) 1：地址位多处理机协议 b2：SYNC：同步模式使能。 0：UART模式 1：SPI模式
如
m = 2,
i 0
11000000b、01100000b、00110000b、……10001000b、 01000100b、00100001b、00010001b等。 UMTCLx的作用是对波特率误差进行插补修正，因此 UMTCLx中的“1”应该均匀分布。例如 如
m = 2时,
i 0 i
S D0 D2 D4 D5 D6 D7 S
D1
D3
P
5．1．3 异步通信模式 线路空闲多处理机模式: 在这种模式下，数据块被一段空 闲时间分隔。在字符的第一个停止位之后接收到10个以上 的”1”，则表示检测到接收线路空闲。
地址位格式：在这种模式下，字符包含一额外的位作为 地址标识。数据块的第一个字符携带一个置位的地址位，以 表明该字符是一地址。当接收字符是地址时RXWake位置位， 并且被送入接收缓存URXBUF（允许接收时）。 正常情况下，如果USART的URXWIE位置位，数据字符按 通常方式在接收器拼装，但是它们不会送入接收缓存URXBUF， 也不会产生中断。只有当接收到一个地址位置位的字符，接 收器暂时被激活，字符送入URXBUF，同时URXIFG置位。相应 的错误状态标志将置位。应用软件按有效利用资源、降低功 耗的原则作后续操作。应用软件可验证接收到的地址。如果 匹配，处理机将读取数据块的后续数据；如果地址不匹配， 处理机将等待下一地址字符的到来。
随着单片机计算能力的增强，大多数UART通信都采用可 靠性更高的校验方法，如累加和法、CRC校验法等。 采用累 加和法或CRC校验法通信时，奇偶校验位PA将被省略。
6、停止位P： UART可选的停止位包括1，1.5，2。 停止位是UART帧的最后信息元，单片机在收到停止位后必 须进行相应的处理，如存储RXD的数据，根据通信协议进行 数据串处理。 过去由于处理器的处理能力(速度)有限，1位停止位的时间 可能不够进行处理，所以希望发送端在发送完1帧数据后能够 多留时间给接受端处理数据。 目前由于单片机的处理速度足够快，所以绝大多数UART通 信只采用一个停止位。 目前常用的UART的帧格式为：（1，8，n，1），即1个起 始位；8个数据位；无校验位；1个停止位。
b3：URXEIE：接收错误字符中断使能 0：只要有错误字符都不改变URXIFG 1：所有字符都使URXIFG置位
b4：BRK：数据链断裂标志。 当RXD连续10bit(一帧UART)都是0，BRK被置位 0：数据链链断裂 1：数据链断裂 b5：OE：URXBUF溢出标志。 当接收到的字符送进URXBUF时，前一个字符还没有读走 0：无溢出 1：URXBUF溢出 b6：PE：奇偶校验出错。 当校验允许PENA = 0时， PE总是0。 0：无错误 1：奇偶校验出错 b7：FE：停止位错误。 没有停止位，或停止位不完整。 0：停止位正常 1：停止位错误
4、地址位AD： MSP430单片机的UART模块支持多机通信(类似于Bitbus总 线 )。
多机通信的各个节点都有自己的独立编号，即地址。以便 所有收到数据的节点可以判断是否相应该串数据。
多机通信数据串的第一个帧总是节点地址，即AD = 1；数 据串的其余帧都是数据，即AD = 0。 有些多机通信可以靠数据串协议识别地址，可以不用AD地 址位。所以AD是可选项，不是必选项。
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UMTCLx = 10001000b、01000100b、 001000010b、00010001b就比较合理
举例：1、串行口1： 波特率时钟采用子系统时钟：BRCLK=SMCLK=1048576Hz 波特率：9600。
1048576 计算： =109.227 9600
整数：109 = 006Dh ；UBR11=00h，UBR01=6Dh 调整：0.227×8=1.816≈2 ；UMTCL1有2个比特为1， ；取UMTCL1=00100010b=22h 波特率误差：
发送控制寄存器UTCTL： UTCTL0（071h)，UTCTL1（079h) 7 6 5 4 3
未用 CKPL SSEL1，SSEL0 URXSE
2
TXWAKE
1
未用
0
TXEPT
b0：TXEPT：发送缓冲器空闲标志。 0：发送缓冲器忙，有数据正在发送 1：发送缓冲器空，可以发送新数据 b2：TXWAKE：传送唤醒。 0：下一帧发送的是数据 1：下一帧发送的是地址 b3：URXSE：UART接收起始沿中断选择。 0：禁止接收沿中断 1：允许接收沿中断
b3：LISTEN：侦听使能。 0：不侦听 1：RXD侦听由TXD发送出的数据，即自发自收。 b4：CHAR：字符长度选择。 0：7位有效数据，Bit7填0 1：8位有效数据。 b5：SP：停止位长度选择。 0：1位停止位 1：2停止位。 b6：PEV：奇偶校验选择(PENA = 1时有效) 0：奇校验 1：偶校验。 b7：PENA：校验允许。 0：无校验位 1：奇偶校验(位)允许。
5．1．4 UART的波特率 波特率：通信速率，单位bps(bit/s)。UART的标准波特率包括300、600、 1200、2400、4800、9600、19200……。 UART的收发双方的波特率必须是一致的。 5．1．5 异步模式下的寄存器 控制和状态寄存器：USART模块的硬件是字节结构的，必须用字节指令 访问（后缀“B”）。 寄存器 USART控制寄存器 发送控制寄存器 接收控制寄存器 波特率调整寄存器 波特率寄存器0 波特率寄存器1 接收缓存 发送缓存 符号 CTL UTCTL URCTL UMCTL UBR0 UBR1 URXBUF UTXBUF 说明 设置串行口模块的工作方式,查询状态 选择串行口时钟源,查询发送状态等 选择纠错方式,查询接收状态等 对波特率误差进行插补修正 波特率字低位 波特率字高位 接收到的数据从URXBUF中读出 准备发送的数据送入UTXBUF
波特率选择和调制控制寄存器： UBR00(074h)、UBR01(07Ch)： 波特率低位； UBR10(075h)、UBR11(07Dh)： 波特率高位； UMTCL0(073h)、UMTCL1(07Bh)：波特调整(小数)寄存器；
波特率时钟 Baud rate = 波特率字 波特率调整
ΔB= 标准波特率 - 实际波特率 标准波特率字 ×100%
9600 =
B R C LK 1048576 9600 1 7 2 U BR x+ m i 109 + 8 i= 0 8 ×100% 0. ×100% = 02% 9600 9600
2、串行口0： 波特率时钟采用辅助时钟：BRCLK = ACLK = 32768Hz 波特率：9600。
5．1 通用异步串行接口UART 在异步模式下，接收器实现自身帧同步，及收发双方单 片机不使用同一个时钟源。 波特率由收发双方的单片机各自产生。
5．1．1 串口操作的基本步骤 略，见后面的编程举例
5．1．2 通用异步串行口的数据格式 异步帧格式由以下几部分组成: 1个起始位; 7或8个数据位； 奇/偶/无校验位（可选）； 1个地址位（地址位模式，可选） 1或2个停止位组成。
5、校验位PA： 标准的UART帧可以包括奇偶校验位PA。是奇校验就计算 前7位（或8位）的１的个数。是奇数，则在第八位填０，是 偶数，则在第八位填１。偶校验类推。接收方以此为判断传 输的正确性。 偶校验只能检验一位码元的错误，如果出现两位同时出错， 就会出现校验错误。在通信背景噪声严重的系统中通信，出 现一位码元以上的错误啊常有的，所以奇偶校验并不十分可 靠。
2
1
RXWAKE
0
RXERR
URXWIE
b0：RXERR：接收错误标志。详见BRK、OE、PE、FE。 0：没有错误 1：接收错误 b1：RXWAKE：接收唤醒检测。地址位多处理机协议时使用 0：收到的字符是数据 1：收到的字符是地址 b2：URXWIE：接收中断类型选择 0：收到所有字符都产生中断URXIFGx 1：只有收到地址字符才产生中断URXIFGx
S
D0
D1
D2
D3D4Biblioteka D5D6D7 AD
PA
P1
P2
S
1、UART的空闲： 在没有串行数据收发时，串行口的发送端TXD始终保持高 电平。
2、起始位S： UART的每一帧数据都是由一个从高电平到低电平的跳变开 始。 接收端收到的第一个负跳变沿就当做一个新的接受帧的开始， 并且用这个负跳变沿校准接受端的帧同步时钟。 3、数据位Dx： UART的数据发送总是先方式低位，再发送高位即： D0，D1，D2……D6，D7。 UART的数据位可以是7位(此时D7 ≡ 0)，也可以是8位。 7位数据主要是为发送ASCII码设计的(数据范围00h～7Fh)， 但仍然是发送8个数据位，仅仅是D7 ≡ 0。 8位数据可以发送00h～0FFh的任何数据，所以8位数模式可 以发送包括ASCII码在内的任何数据。
说明 外部时钟源 辅助时钟 子系统时钟
b6：CKPL：时钟极性。 CKPL位控制外部时钟UCLKI信号的极性 0： UCLKI UCLK 1: UCLKI UCLK
接收控制寄存器URCTL：
URCTL0(072h)，URCTL1(07Ah) 7 6 5 4 3
FE PE OE BRK URXEIE
其中
m
i 0
7
BRCLK 1 7 UBRx mi 8 i 0
i
表示UMTCLx中， “1”的个数:
7 mi 0 i 0 min
7 mi 8 i 0 max
相同的
7
m
i 0 i
7
i
值可以有不同的UMTCLx。 UMTCLx可选的数为：