嵌入式串行通讯接口SMHK381 芯片工作原理研究

冯军波

（中航工业西安航空计算技术研究所，陕西西安，710068）

0 引言

串行通讯接口（俗称COM 接口或串口），是采用串行通讯方式的扩展接口。数据一位一位地顺序传送，最少只需一根传输线即可完成，成本低但传送速度慢。其通信方式分为同步串行（Serial Peripheral interface）、异步串行（UART）。同步通信是指通信双方由统一时标控制数据传送。异步通信要求统一操作时间，采用应答方式，即主模块发出请求，一直等待从模块反馈回来的“响应”后，才开始通信。

常用的串行通讯接口包括以下几种：

RS-232：不平衡传输方式，即单端通讯，为点对点通讯而设计，适合本地设备间通讯，最大传输速率20kb/s。

RS-422：平横传输方式，点对多双向通讯，即一个主设备，多个从设备，从设备之间不能通讯。最多接10 个节点，最大传输速率10Mb/s。

RS-485：在RS-422 的基础上发展而来，可多接32 个设备，最大传输速率10Mb/s。

1 芯片内部结构

国微电子的串行通讯接口芯片SMHK381 是双通道，图中用通道A、通道B 标识。该芯片兼容EXAR 公司XR-88C681、Motorola 公 司MC2681 以 及Signetics 公 司SCC2692。其内部结构如图1 所示。

图1 SMHK381 芯片内部结构图

通道A 和通道B 分别包含全双工异步接收器和发送器，两个通道可以独立地选择工作频率和工作方式进行数据的收发。

输入/输出端口可以作为通用的输入/输出端口，也可以作为特殊功能使用。如将输入端口作为外部时钟输入，将输出端口用来输出发送器就绪信号。

数据总线缓冲器在(芯片)内部与外部的数据总线之间提供数据缓冲，由操作控制单元控制，允许数据再CPU 与DUART 之间转移。

操作控制模块从CPU 收到操作命令，产生合适的信号到DUART 中的各个部分。具体而言，它负责进行DUART内部寄存器地址译码和命令译码。所有的命令，包括设置波特率、奇偶校验、通信协议参数、启动或停止Counter/Timer、或通过读状态寄存器监视数据通信性能。

中断控制块允许用户将DUART 应用到中断驱动的环境中。DUART 提供了一个中断请求输出信号(-INTR)，在发生下列任何事件的情况下可发出中断请求信号：

(1)通道的接收或发送保持寄存器就绪；

(2)通道的接收先进先出队列满；

(3)在通道A 或B 中收到Break 开始或结束；

(4)Counter/Timer 计数完成；

(5)输入引脚（IP0，IP1，IP2，IP3）发生变化。

2 数据接收

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 组成）从RxDn 接收串行数据，经过RSR 转换成并行的数据格式，送到RHR（RHR 实际上是一个深度为三个字节的FIFO ）。然后，这个字符将通过FIFO进行处理。一旦接收的字符被送到FIFO 的顶部，当CPU读RHR 时就可以读取这个字符[1]。接收器示意如图2 所示。

图2 接收器RSR 和RHR 示意图

SMHK381 芯片支持中断方式接收数据，接收中断的触发条件如下：

RXRDY（接收器准备好）：RHR 里至少有一个字符等待CPU 读取。

FFULL ：接收FIFO 已满。

软件可通过设置MR（通道模式寄存器）来选择RXRDY满足时发出中断还是FFULL 条件满足时发出中断。

在设置了中断掩码寄存器IMR[1]（A 通道）和IMR[5]（B通道）位后，将会使能上述中断，一旦满足上述条件，串口将向CPU 发送中断请求，软件可通过中断服务函数将数据从串口取走。

3 数据发送

CPU 把并行数据传给SMHK381 通道的发送器(发送移位寄存器TSR 和发送保持寄存器THR)，发送器将其转换成串行数据流，并根据异步通信协议要求，加上用于通知接收器操作的起始位、停止位及可选的校验位（最高有效位和停止位之间，可通过模式寄存器配置），然后从TxDn 引脚输出。发送器示意如图3 所示。

图3 发送器THR 和TSR 示意图

发送器可以通过命令寄存器CR 来使能和禁止。当在THR 和TSR 中还有字符时发出命令禁止发送器，发送器仍将继续发送THR 和TSR 中剩余的字符，直到THR 和TSR完全空为止。一旦执行了禁止发送器命令，就不能再向THR 中写入新的数据。

SMHK381 芯片同样支持中断方式发送数据，工作机制是每发送完一个字节的数据后会触发中断条件，串口向CPU 产生一次中断，中断处理程序再发送下一个字节，直到数据发送完成。这里有两点需要注意：一个是在发送数据之前并没有发送字节完成来触发中断，那么第一个字节是如何发出的；另一个是怎样才算数据发送完成。第一个问题涉及中断在硬件层面的触发方式：若为电平触发的中断，当发送缓冲区为空时，其所处的电平状态就会在中断被使能后直接触发，导致第一个字节在中断服务函数中被发出；如果是电平跳变触发的中断，为了印发中断，只好把第一个字节先手动发出，由此引发一个中断“多米诺”效应，把后面的字节依次发送出去[2]。第二个问题的解决是用参数指定欲发送字节数决定的，待发送字节达到指定数目，在中断处理函数禁止相应中断，于是多米诺效应就会停止。

4 应用场景

试验中将SMHK381 芯片应用在PPC755 处理器上，实现了两路RS232 接口，按8位数据宽度进行访问，接口的工作时钟采用3.6864MHz，两路接口采用三线制传输，最大速率115kbps。应用场景连接框图如图4 所示。

图4 SMHK381 芯片应用场景连接框图

在线路连接上PPC755 处理器通过107 桥片连接FPGA 芯片，FPGA 内部设计PCILBE 桥逻辑，实现PPC750 对LBE 总线上的SMHK381 串口的访问与控制。SMHK381 芯片引出两路RS232，一路用于连接PC 的超级终端，用于输出打印信息，一路用于连接PC 机上的开发环境，用于软件开发人员进行程序的下载调试。使用超级终端输出打印信息时设置每秒位数为115200，数据位为8，奇偶校验为无，停止位为1，数据流控制选择无。当模块供电后，超级终端上会显示启动信息，表明第一路RS232 工作正常，待启动完毕后，可使用PC机上的软件开发环境通过第二路RS232 连接模块并下载和调试应用程序，表明第二路RS232 也工作正常。

5 结束语

现代科技离不开芯片，我国在芯片技术领域起步晚且落后于欧美国家，研究芯片结构和原理有助于改变这种现状。发展科技的必由之路就是模仿、赶追并且超越，掌握扎实的基础工艺，弄清复杂的工作原理，才能设计和制造属于我们的国产芯片。