串口和 UART 教程

同步串行传输要求发送方和接收方共享一个时钟，或者发送方提供一个脉冲或其他定时信号，以便接收方知道何时“读取”数据的下一个位。在大多数形式的串行同步通信中，如果在给定时刻没有可用的数据要传输，则必须发送填充字符，以便始终传输数据。同步通信通常效率更高，因为只有数据位在发送方和接收方之间传输，并且如果需要额外的布线和电路来在发送方和接收方之间共享时钟信号，则同步通信的成本可能会更高。

打印机和固定磁盘设备使用同步传输的一种形式，即数据通过一组线发送，而时钟或脉冲通过另一条线发送。打印机和固定磁盘设备通常不是串行设备，因为大多数固定磁盘接口标准通过为每个字的每个位使用单独的线，为每个时钟或脉冲信号发送一个完整的单词数据。在 PC 行业中，这些被称为并行设备。

PC 中的标准串行通信硬件不支持同步操作。此处描述此模式仅用于比较目的。

异步传输允许数据在发送方无需向接收方发送时钟信号的情况下进行传输。相反，发送方和接收方必须预先就定时参数达成一致，并且每个字中都会添加特殊的位，这些位用于同步发送和接收单元。

当一个字被赋予 UART 用于异步传输时，一个称为“起始位”的位将被添加到要传输的每个字的开头。“起始位”用于提醒接收方一个数据字即将发送，并迫使接收方的时钟与发送方的时钟同步。这两个时钟必须足够精确，在传输字中剩余的位期间，频率漂移不超过 10%。（此要求是在机械电传打字机时代设置的，现代电子设备很容易满足。）

在起始位之后，数据字的各个位被发送，最低有效位 (LSB) 首先发送。传输中的每个位都与所有其他位传输相同的时间，接收方在分配给每个位的周期的大约中间“查看”线路以确定该位是1还是0。例如，如果发送每个位需要两秒钟，则接收方将在经过一秒钟后检查信号以确定它是否为1或0，然后它将等待两秒钟，然后检查下一个位的数值，依此类推。

发送方不知道接收方何时“查看”了位的数值。发送方只知道时钟何时开始传输字的下一位。

当整个数据字发送完毕后，发送方可能会添加一个发送方生成的奇偶校验位。接收方可以使用奇偶校验位执行简单的错误检查。然后，发送方发送至少一个停止位。

当接收方接收到数据字中的所有位后，它可能会检查奇偶校验位（发送方和接收方必须就是否使用奇偶校验位达成一致），然后接收方查找停止位。如果停止位没有在预期的时间出现，则 UART 会认为整个字已损坏，并在读取数据字时向主机处理器报告帧错误。帧错误的常见原因是发送方和接收方时钟未以相同的速度运行，或信号被中断。

无论数据是否正确接收，UART 都会自动丢弃起始位、奇偶校验位和停止位。如果发送方和接收方配置相同，则这些位不会传递给主机。

如果另一个字已准备好传输，则新字的起始位可以在前一个字的停止位发送后立即发送。

由于异步数据是“自同步”的，因此如果没有数据要传输，则传输线路可以处于空闲状态。

除了将数据从并行转换为串行以进行传输以及在接收时从串行转换为并行的基本工作之外，UART 通常还会提供用于信号的额外电路，这些信号可用于指示传输介质的状态，并在远程设备未准备好接受更多数据的情况下调节数据流。例如，当连接到 UART 的设备是调制解调器时，调制解调器可能会报告电话线上是否存在载波，而计算机则可以通过升高或降低这些额外信号中的一个或多个来指示调制解调器重置自身或不接听电话。每个这些额外信号的功能在 EIA RS232-C 标准中定义。

在大多数计算机系统中，UART 连接到生成符合 EIA RS232-C 规范的信号的电路。还有一个名为 V.24 的 CCITT 标准，它反映了 RS232-C 中包含的规范。

波特率是异步通信中传输速度的度量。由于调制解调器通信技术的进步，在描述较新设备的数据速率时，这个术语经常被误用。

传统上，波特率表示实际通过介质发送的比特数，而不是实际从一个DTE设备移动到另一个DTE设备的数据量。波特率包括发送UART生成的和接收UART删除的开销比特（起始位、停止位和奇偶校验位）。这意味着七位数据字实际上需要10位才能完全传输。因此，如果使用奇偶校验并且存在一个起始位和停止位，则能够以每秒300比特的速度从一个地方移动到另一个地方的调制解调器通常只能移动30个7位字。

如果使用8位数据字和奇偶校验位，则数据速率下降到每秒27.27个字，因为现在需要11位来发送8位字，并且调制解调器仍然只发送每秒300比特。

将字节/秒转换为波特率或反之亦然的公式在纠错调制解调器出现之前很简单。这些调制解调器接收来自主机计算机中UART的串行比特流（即使使用内部调制解调器，数据也经常被串行化），并将比特转换回字节。然后，将这些字节组合成数据包，并使用同步传输方法通过电话线发送。这意味着发送调制解调器在传输之前删除了DTE（计算机）中的UART添加的停止位、起始位和奇偶校验位。当远程调制解调器接收到这些字节时，远程调制解调器会向这些字添加起始位、停止位和奇偶校验位，将其转换为串行格式，然后将其发送到远程计算机中的接收UART，然后接收UART会剥离起始位、停止位和奇偶校验位。

进行所有这些额外的转换的原因是为了使两个调制解调器能够执行纠错，这意味着接收调制解调器能够要求发送调制解调器重新发送未以正确的校验和接收的数据块。此检查由调制解调器处理，DTE设备通常不知道此过程正在发生。

通过剥离起始位、停止位和奇偶校验位，两个调制解调器之间必须共享以执行纠错的额外数据位大部分隐藏在发送和接收DTE设备看到的有效传输速率之外。例如，如果调制解调器将十个7位字发送到另一个调制解调器而不包含起始位、停止位和奇偶校验位，则发送调制解调器将能够添加30位自己的信息，接收调制解调器可以使用这些信息进行纠错，而不会影响真实数据的传输速度。

执行压缩的调制解调器使波特率术语的使用更加混乱。通过电话线传递的单个8位字可能表示发送到发送调制解调器的十几个字。接收调制解调器会将数据扩展回其原始内容，并将该数据传递给接收DTE。

现代调制解调器还包括缓冲区，允许比特跨电话线（DCE到DCE）移动的速率与比特在对话两端DTE和DCE之间移动的速率不同。通常，由于调制解调器使用压缩，因此DTE和DCE之间的速度高于DCE到DCE的速度。

由于描述字节所需的比特数在两台机器之间传输过程中有所不同，再加上DTE-DCE和DCE-DCE链路上使用的比特/秒速度不同，因此使用波特率来描述整体通信速度会导致问题，并可能错误地表示真实的传输速度。因此，比特/秒（bps）是用于描述DCE到DCE接口处看到的传输速率的正确术语，而波特率或比特/秒是在两个系统之间使用有线连接建立连接时或使用未执行纠错或压缩的调制解调器时可以接受的术语。

现代高速调制解调器（2400、9600、14,400和19,200bps）实际上仍然以2400波特或更准确地说，每秒2400个符号的速度运行。高速调制解调器能够使用称为星座填充的技术将更多的数据比特编码到每个符号中，这就是调制解调器的有效比特/秒速率更高的原因，但调制解调器继续在电话系统提供的有限音频带宽内运行。以28,800及更高速度运行的调制解调器具有可变的符号速率，但技术相同。

从最初的IBM个人计算机开始，IBM选择National Semiconductor INS8250 UART用于IBM PC并行/串行适配器。IBM和其他供应商生产的后续几代兼容计算机继续使用INS8250或National Semiconductor UART系列的改进版本。

多年来，8250、8250A、16450 和 16550 已被其他芯片供应商获得许可或复制。对于 8250、8250A 和 16450，精确电路（“巨型单元”）已授权给许多供应商，包括西部数据和英特尔。其他供应商对零件进行了反向工程或生产了具有类似行为的仿真。

在内部调制解调器中，调制解调器设计人员经常使用调制解调器微处理器模拟 8250A/16450，并且模拟的 UART 通常具有一个包含数百字节的隐藏缓冲区。由于缓冲区的大小，这些仿真在处理高速数据方面的可靠性可以与 16550A 相媲美。但是，大多数操作系统仍然会报告 UART 只是一个 8250A 或 16450，并且可能无法有效利用模拟 UART 中存在的额外缓冲功能，除非使用特殊的驱动程序。

一些调制解调器制造商受市场力量驱使，放弃了具有数百字节缓冲区的方案，转而使用 16550A UART，以便产品在市场比较中更具优势，即使此举可能会降低有效性能。

一个常见的误解是，所有标有“16550A”的零件在性能上都是相同的。它们之间存在差异，在某些情况下，大多数这些 16550A 克隆都存在明显的缺陷。

在开发 NS16550 时，国家半导体获得了该设计的几项专利，并且还限制了许可，使得其他供应商难以提供具有类似功能的芯片。由于这些专利的存在，反向工程设计和仿真必须避免侵犯专利中涵盖的权利要求。随后，这些复制品几乎从未与 NS16550A 或 PC16550D 完全相同，而后两者是大多数计算机和调制解调器制造商想要购买的零件，但有时他们不愿意支付购买正版零件所需的价钱。

克隆 16550A 零件的一些差异并不重要，而另一些差异则可能导致设备无法与给定的操作系统或驱动程序一起使用。这些差异可能会在使用其他驱动程序时出现，或者在发生特定事件组合时出现，而这些事件在 Windows® 驱动程序中没有经过充分测试或考虑。这是因为大多数调制解调器供应商和 16550 克隆制造商使用 Windows® for Workgroups 3.11 中的 Microsoft 驱动程序和 Microsoft® MS-DOS® 实用程序作为与 NS16550A 兼容性的主要测试。这种过于简单的标准意味着，如果使用不同的操作系统，则由于克隆和正版组件之间的细微差异，可能会出现问题。

国家半导体提供了一个名为 COMTEST 的程序，该程序执行独立于任何操作系统驱动程序的兼容性测试。应该记住，此类程序的目的是证明竞争对手产品的缺陷，因此该程序将报告正在测试的零件在行为上的重大差异以及极其细微的差异。

在本文档作者于 1994 年进行的一系列测试中，使用 COMTEST 测试了国家半导体、TI、StarTech 和 CMD 生产的组件，以及嵌入在内部调制解调器中的巨型单元和仿真。下面列出了一些组件的差异计数。由于这些测试是在 1994 年进行的，因此它们可能无法反映供应商提供的给定产品的当前性能。

需要注意的是，当检测到过多的或某些类型的错误时，COMTEST 通常会中止。作为此测试的一部分，COMTEST 进行了修改，使其无论遇到多少差异都不会中止。

需要了解的是，简单地对 COMTEST 的差异进行计数并不能揭示哪些差异重要，哪些差异不重要。例如，上面列出的两个具有内部 UART 的调制解调器中报告的大约一半差异是由于克隆 UART 不支持五位和六位字符模式造成的。真正的 16550、16450 和 8250 UART 都支持这些模式，并且 COMTEST 检查这些模式的功能，因此报告了 50 多个差异。但是，几乎没有现代调制解调器支持五位或六位字符，特别是那些具有纠错和压缩功能的调制解调器。这意味着可以忽略与五位和六位字符模式相关的差异。

COMTEST 报告的许多差异都与时序有关。在许多克隆设计中，当主机从一个端口读取数据时，某些其他端口中的状态位可能不会在与真正的 NS16550AFN 相同的时间内更新（有些更快，有些更慢），而 COMTEST 会查找这些差异。这意味着差异的数量可能会产生误导，一个设备可能只有一个或两个差异，但它们非常严重，而另一个设备更新状态寄存器的速度比参考零件快或慢（这可能永远不会影响正确编写的驱动程序的操作）则可能会报告数十个差异。

COMTEST 可以用作筛选工具，提醒管理员可能存在可能导致问题或必须作为特殊情况处理的不兼容组件。

如果您在调制解调器中的 16550 上运行 COMTEST，或者调制解调器连接到串行端口，则需要首先向调制解调器发出 ATE0&W 命令，以便调制解调器不会回显任何测试字符。如果您忘记执行此操作，COMTEST 将至少报告此差异。

8250/16450/16550 UART 占用八个连续的 I/O 端口地址。在 IBM PC 中，为这八个端口定义了两个位置，它们统称为 COM1 和 COM2。PC 克隆和附加卡的制造商创建了另外两个区域，称为 COM3 和 COM4，但这些额外的 COM 端口在某些系统上与其他硬件发生冲突。最常见的冲突是与提供 IBM 8514 模拟的视频适配器。

COM1 位于 0x3f8 到 0x3ff 之间，通常使用 IRQ 4。COM2 位于 0x2f8 到 0x2ff 之间，通常使用 IRQ 3。COM3 位于 0x3e8 到 0x3ef 之间，没有标准化的 IRQ。COM4 位于 0x2e8 到 0x2ef 之间，没有标准化的 IRQ。

下面提供了 8250/16450/16550 UART 的 I/O 端口说明。

尽管 National Semiconductor 没有提供任何与 16550 兼容并提供其他功能的组件，但各种其他供应商提供了。下面描述了其中一些组件。应该理解，为了有效地利用这些改进，可能需要由芯片供应商提供驱动程序，因为大多数流行的操作系统都不支持超出 16550 提供的功能的功能。

除了这些“哑”UART之外，许多供应商还生产智能串行通信板。这种类型的设计通常提供一个与多个UART接口的微处理器，处理和缓冲数据，然后在必要时提醒主PC处理器。由于在这种类型的通信系统中，UART不是由PC处理器直接访问的，因此供应商无需使用与8250、16450或16550 UART兼容的UART。这使得设计人员可以自由选择可能具有更好性能特征的组件。

由Andrew Webster <awebster@pubnix.net>贡献。1995年8月26日。

这是一个来自装有Digi International PC/8（带有16550）的机器的配置片段。它有8个调制解调器连接到这8条线路，并且运行良好。不要忘记添加options COM_MULTIPORT，否则它将无法正常工作！

设置此配置的技巧是，标志的MSB表示最后一个SIO端口，在本例中为11，因此标志为0xb05。

由Don Whiteside <whiteside@acm.org>贡献。1995年8月26日。

在FreeBSD上使Boca 16端口板工作所需的步骤非常简单，但是您需要一些东西才能使其工作。

一个重要的说明 - Boca 16的实际UART芯片位于连接器盒中，而不是在内部板上本身。因此，如果您将其拔掉，则对这些端口的探测将失败。我从未测试过在拔掉盒子并重新插入的情况下启动，我建议您也不要这样做。

如果您还没有设置自定义内核配置文件，请参阅FreeBSD手册的内核配置章节以了解常规步骤。以下是Boca 16板的具体信息，并假设您使用内核名称MYKERNEL并使用vi进行编辑。

由Helge Oldach贡献 hmo@sep.hamburg.com，1999年9月

是否曾经想过FreeBSD对您带有两个（或更多）COM端口共享IRQ的20美元多I/O卡的支持？以下是方法

通常，支持此类板卡的唯一选项是为每个端口使用不同的IRQ。例如，如果您的CPU板有一个板载COM1端口（即sio0-IO地址0x3F8和IRQ 4），并且您有一个带有两个UART的扩展板，您通常需要将其配置为COM2（即sio1-IO地址0x2F8和IRQ 3），以及第三个端口（即sio2）为IO 0x3E8和IRQ 5。显然，这浪费了IRQ资源，因为原则上应该可以使用前面部分中描述的COM_MULTIPORT配置使用单个IRQ运行两个扩展板端口。

这种廉价的I/O板通常具有一个用于COM端口的4x3跳线矩阵，类似于以下内容

此处显示的是端口A接线到IRQ 5，端口B接线到IRQ 3。您特定板卡上的IRQ列可能有所不同 - 其他板卡可能提供IRQ 3、4、5和7的跳线。

人们可能会得出结论，使用手工制作的线制跳线覆盖IRQ 3列中的所有三个连接点，将两个端口都接线到IRQ 3可以解决问题，但事实并非如此。您无法复制IRQ 3，因为每个UART的输出驱动器以“图腾柱”方式连接，因此，如果其中一个UART驱动IRQ 3，则输出信号将不是您期望的信号。根据扩展板或主板的实现，IRQ 3线将持续保持高电平或始终保持低电平。

您需要解耦两个UART的IRQ驱动器，以便板卡的IRQ线仅在（且仅在）其中一个UART发出IRQ时才变高，否则保持低电平。Joerg Wunsch j@ida.interface-business.de提出了解决方案：焊接一个由两个二极管（强烈建议使用锗或肖特基型）和一个1 kOhm电阻组成的“或门”。以下是原理图，从上面的4x3跳线场开始

二极管的阴极连接到一个公共点，并与一个1 kOhm下拉电阻一起连接。将电阻连接到地线以避免总线上的IRQ线浮动至关重要。

现在我们准备配置内核。继续使用此示例，我们将配置

请注意，sio1和sio2的flags设置确实至关重要；有关详细信息，请参阅sio(4)。（通常，“flags”属性中的2指的是sio2，它保存IRQ，并且您肯定希望得到一个5低字节。）如果启用了内核详细模式，则这应该会产生类似于以下内容的结果

尽管/sys/i386/isa/sio.c在使用上述“irq maps”数组时有些隐晦，但基本思想是您观察到第一个、第三个和第四个位置的0x1。这意味着相应的IRQ已在输出时设置并在之后清除，这正是我们所期望的。如果您的内核没有显示此行为，则很可能是您的接线存在问题。