UART接收器时钟速度

我试图了解UART基础知识。

• 这是异步通信协议，因此TX和RX时钟彼此独立
• 数据的接收通过使用起始位和一个或多个停止位来保证。此外，接收器必须知道数据速率，以便生成合适的时钟来驱动用于接收的SIPO寄存器。

这里的问题是

提到通常使用16倍比特率的时钟来恢复数据。那么如何将bps转换为时钟频率呢？请提供一些参考资料，以研究UART接收器中使用的时钟机制。

发射器和接收器时钟彼此独立，以它们独立产生的方式进行，但应进行适当匹配以确保正确传输。

起始位（低位）和停止位（高位）确保两个字节之间始终存在从高到低的转换，接收器可以同步，但是此后它是独立的：没有更多时间提示可以用来区分连续的位。它所拥有的只是它自己的时钟。因此，最简单的方法是从起始位样本开始，在其时间的中间进行采样。例如，在9600个bps的比特时间是104微秒，那么这将样品在起始位 + 52微秒，第一数据在比特 + 52微秒+ 104微秒，在该第二数据位 + 52微秒+ 2 104 µs，依此类推。是起始位的下降沿。虽然实际上不需要采样起始位（您T 0 T 0 × T $T_0$$T_0$$T_0$$\times$$T_0$知道它很低），确定起始边缘不是峰值很有用。

对于52 µs的时序，您需要两倍于9600 bps的时钟频率，即19200 Hz。但这只是一种基本的检测方法。更高级（阅读：更准确）的方法将连续获取多个样本，以避免仅碰到一个峰值。然后，你可能确实需要一个16 9600 Hz的时钟，让每位16个蜱，其中您可以在什么应该是一个位的中间使用，也就是说，5个左右。并使用投票系统查看应将其读为高还是低。$\times$

如果我没记错的话，68HC11在开始，中间和结束时采集了一些样本，那么如果电平发生变化（并不能保证），那么第一个和最后一个大概会重新同步。

采样时钟不是从比特率得出的，而是相反的。对于9600 bps，您必须将采样时钟设置为153 600 Hz，这是通过预分频器从微控制器的时钟频率得出的。然后，将位时钟再除以16，得到位时钟。

无与伦比的时钟
如果接收器的时钟与发送器的时钟不同步，将发生以下情况：

接收器的时钟慢了6.25％，您可以看到对下一比特的采样将越来越晚。典型的UART传输由10位组成：1个起始位，8个数据位的有效负载和1个停止位。然后，如果您在中间进行采样，则可以在最后一位（停止位）处减去一半。十个位上的一半是5％，所以我们的偏差为6.25％，我们会遇到问题。在图片中可以清楚地看到：已经在第三个数据位附近采样了。

让我们退后一步，谈谈UART使用的低级信令协议。TX和RX是数据线，而不是时钟。时钟仅在每个UART内部，这就是为什么必须事先就波特率达成一致的原因。

不传输时，线路保持空闲状态。为了发送一个字节（例如，其他数据宽度是可能的），发送器首先发送起始位。接收器使用起始位的上升沿时间和已知的波特率来解码其余字符。为了简单起见，假设使用100 kBaud。这意味着每个位时间为10 µs长。这包括起始位，数据位和停止位。因此，第一个数据位的中间将在起始位的上升沿之后15 µs，第二个数据位在25 µs等。

只要接收器和发送器时钟相同，这可能会永远持续下去。但是，它们永远不会完全一样，因此不会永远持续下去。为了使接收器的时钟与发送器的时钟重新同步，数据字符结束，该行空闲一会儿，然后重复该过程。时序误差从起始位的上升沿开始累积，因此最大漂移位于最后一位。一旦该字符结束，接收器将重置，等待下一个起始位，然后重复该过程。

对于8个数据位，最差的时序情况是对最后一位进行采样。距时序参考的8.5位时间，时序参考是起始位的上升沿。如果接收器关闭了1/2位或更多，则它将在另一个位中对最后一位进行采样。显然，这很糟糕。这发生在8 1/2位或1/2％的1/2位时钟频率不匹配的情况下。这是保证不匹配失败的保证。为了提高可靠性，通常需要确保接收器与发射器的匹配度在其一半以内，即2.9％。这代表最后一位的1/4位时间误差。

但是，它并不是那么简单。在上述情况下，接收器实际上在起始位的上升沿启动秒表。从理论上讲，这可以在模拟电子产品中完成，但是那将是复杂且昂贵的，并且不容易集成到数字芯片上。取而代之的是，大多数数字UART实现具有内部时钟，该时钟以预期比特率的16倍运行。然后，“秒表”将对这16个周期进行计数。这意味着在所有位采样时间中还会有一个额外的可能的错误，即1/16位，这与最后一位的另一个.7％时钟失配类似。

希望这可以弄清楚停止位是什么，位时序如何工作以及16x时钟的全部含义。我主要跳过了停止位，但是也许您现在可以自己理解为什么至少需要一个停止位。基本上，停止位是字符之间的最小强制行空闲时间。这是接收机完成接收字符并准备好开始位的下一个上升沿的时间。如果没有停止位，则最后一个数据位的极性可能与开始位的极性相同，并且接收器将没有边沿来启动其秒表。

很久以前，该协议已由凸轮，杠杆和旋转轮解码。通常使用两个停止位来使该机制复位。如今，一切都以数字逻辑完成，并且1停止位已被普遍使用。您通常会看到写为8-N-1的低级协议的缩写，表示8个数据位，无奇偶校验位（忘记这些位，今天很少使用它们）和1个停止位。隐含起始位，因为那里没有选项。

使用8-N-1，一个8位字节的数据实际上需要10位时间来发送。这是“比特率”和“波特率”之间有区别的原因之一。波特率是指各个位的信令时间，包括起始位和停止位。在100 kBaud时，每个传输位（包括起始位和停止位）需要10 µs。因此，整个字符需要100 µs，但仅传输8位实际数据。波特率为100 k，但从更高级别的角度来看，数据传输比特率仅为80 kBits / s。

传输的比特率是时钟速率除以（通常所说的）16。您还为帧位（开始，奇偶校验，停止）有一些非数据位。因此，对于16000Hz的时钟，您将获得每秒1000位，但是在插入最少的帧位之后，仅每秒插入800个数据位或100个字节。

为了进行接收，接收器从起始位的中间开始计数16个时钟，并采样线路呼叫所看到的“第一个数据位”。它重复该计数并采样足够的次数以读取整个符号，然后确认停止位的存在并开始等待下一个开始位。

只要接收器时钟接近发送器时钟的速率，采样就会命中发送信号的正确部分。