通過先進(jìn)的高性能UART提高串行I/O的連接性能

　　UART是在特定模塊(如藍(lán)牙、GPS、RFID、多端口以太網(wǎng)服務(wù)器)和主處理器或芯片組之間進(jìn)行通訊的首選接口。因?yàn)闊o論從應(yīng)用端還是從軟件驅(qū)動(dòng)端來看，UART都是一個(gè)軟件開銷最小和復(fù)雜性最低的高效接口。盡管UART的發(fā)展趨勢是更多地集成在處理器或者芯片組中，但這里也存在一個(gè)折衷，那些關(guān)鍵芯片需要平衡芯片的面積/成本和性能以及外設(shè)選擇之間的關(guān)系，這意味著處理器和芯片缺乏端口的情況將繼續(xù)存在。因此，一些特定系統(tǒng)將受益于不同外形尺寸的獨(dú)立UART。

　　包括工藝、芯片組、連接技術(shù)和外圍設(shè)備在內(nèi)的數(shù)個(gè)市場的發(fā)展推動(dòng)了對新一代高性能UART的需求。連接技術(shù)和外圍設(shè)備的發(fā)展趨勢決定了市場對具有靈活主機(jī)接口的高速UART的需求，這些UART工作在低電壓下，功耗很低，可以提供較高的數(shù)據(jù)速率以滿足藍(lán)牙EDR等新連接標(biāo)準(zhǔn)的要求。

　　新一代系統(tǒng)采用高端處理器，可以在較短時(shí)間里處理大量的任務(wù)。這些處理器的工作電壓分別是3.3V、2.5V或1.8V。因此，甚至如UART這樣的基本接口都必須精心設(shè)計(jì)，以進(jìn)一步降低CPU開銷。為構(gòu)造高性能的UART，必須考慮以下特性指標(biāo)：主機(jī)接口的性能、UART的FIFO的深度、波特率、電源電壓和功耗。低分辨率時(shí)鐘預(yù)定標(biāo)器、自動(dòng)支持RS485和先進(jìn)的封裝技術(shù)等其它性能也能給某些特定設(shè)計(jì)帶來顯著好處。

　　主機(jī)接口和處理時(shí)間

　　UART可以通過并行或串行總線與主機(jī)連接。通常許多獨(dú)立的UART提供兩種類型的8位異步存儲(chǔ)接口，兼容大多數(shù)的摩托羅拉(Motorola)和英特爾(Intel)總線接口。有些UART同時(shí)具有兩個(gè)接口，如恩智浦半導(dǎo)體(NXP Semiconductors)的SC28Lxx和1.8V SC16C85x UART系列。通過配制引腳，這個(gè)獨(dú)立的UART可以被設(shè)置成支持Motorola或者Intel的總線接口。在許多手持設(shè)備中，一種被稱為VLIO (可變延遲I/O)的新型接口也得到了采用，此外新一代1.8V UART將被設(shè)計(jì)成可以與總線無縫連接(圖1)。

　　圖1：具有VLIO(可變延遲I/O)接口的1.8V UART的移動(dòng)應(yīng)用示例。

　　并行總線接口的優(yōu)點(diǎn)是具有很高的吞吐量，而速度可高達(dá)100 Mbps，但缺點(diǎn)是需要大約15根線與處理器連接。為克服這個(gè)缺點(diǎn)，或者說是消除對并行總線的依賴性，可以選擇如SPI或I2C的標(biāo)準(zhǔn)串行總線與主機(jī)相連。當(dāng)今流行的解決方案是NXP SC16IS7xx系列，這些產(chǎn)品通過I2C或SPI端口實(shí)現(xiàn)與主機(jī)的無縫連接，并將與主機(jī)連接的15根線減少到5根(I2C)和7根(SPI)，如圖2所示。這個(gè)串行UART還有其它一些優(yōu)點(diǎn)，例如它能為設(shè)計(jì)工程師提供現(xiàn)成的I2C或SPI到RS232/RS485/IrDa的協(xié)議轉(zhuǎn)換器，但缺點(diǎn)是串行總線的速度被限制在400 Kbps(I2C)和15 Mbps (SPI)內(nèi)。

　　圖2：帶有串行接口(I2C/SPI)的NXP SC16IS752高速UART的應(yīng)用示例。

　　一旦選定了主機(jī)接口，最佳的主機(jī)處理時(shí)間取決于以下幾個(gè)要素：UART的 FIFO深度和FIFO計(jì)數(shù)器、中斷觸發(fā)等級(jí)的數(shù)量、硬件和軟件流程控制。

　　FIFO深度和FIFO計(jì)數(shù)器

　　UART的 FIFO深度直接影響通過UART傳輸數(shù)據(jù)所需的CPU開銷。FIFO的深度越深，在每個(gè)中斷就可以有更多數(shù)據(jù)傳輸，從而減少CPU的中斷。一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的FIFO深度范圍從16 到 6? 字節(jié)。但越來越多的設(shè)計(jì)要求具有更深FIFO的UART，而可提供具有高達(dá)128字節(jié)FIFO深度的獨(dú)立方案的廠商也越來越多。如今市場上具有最深FIFO的UART是NXP公司的SC28L202 和SC28L201，它們的FIFO深度高達(dá)256字節(jié)。

　　下面例子說明了更深FIFO的優(yōu)點(diǎn)。假設(shè)UART的傳輸速率設(shè)置為115.2Kbps，并且字符格式為1個(gè)開始位、8個(gè)數(shù)據(jù)位和一個(gè)停止位，即有10位字符和115.2 Kbps波特率，那么UART接收一個(gè)完整的字符需要86.8 ?s時(shí)間。如果UART接收器的FIFO是16字節(jié)，那么它需要大約1.39ms(16×86.8 ?s)去填滿一個(gè)接收器FIFO。這時(shí)，UART將對主機(jī)產(chǎn)生一個(gè)接收數(shù)據(jù)就緒中斷，并且主機(jī)必須立刻去讀取這個(gè)接收器FIFO中的數(shù)據(jù)，否則如果這個(gè)UART收到另外的字符，這個(gè)接收器FIFO中的數(shù)據(jù)將會(huì)溢出。有了上面的設(shè)置，在整個(gè)接收過程中，主機(jī)將每隔1.39 ms就獲得一個(gè)來自UART的中斷。但如果這個(gè)UART的接收器FIFO的容量是128字節(jié)，那么UART中斷的間隔時(shí)間將為原先的8倍(128/16=8)，達(dá)到11.12 ms，主機(jī)處理UART任務(wù)的頻率也將從每1.39 ms一次降到每11.12 ms一次。主機(jī)處理器可以用節(jié)省下來的時(shí)間去處理其它任務(wù)。

　　在今天的許多應(yīng)用中，系統(tǒng)需要去讀取UART上的線狀態(tài)寄存器(LSR)，以首先確認(rèn)在接收FIFO上是否有數(shù)據(jù)。這要求CPU每次從接收FIFO讀取一個(gè)字符都要輪詢LSR，這將顯著增加CPU的處理時(shí)間。只有少數(shù)的獨(dú)立的UART，比如NXP SC28L202 和 SC16C85x，擁有FIFO計(jì)數(shù)器，允許CPU在得到這些數(shù)據(jù)之前就找出在FIFO上的字符數(shù)量。這種方法使CPU不必每次都去讀取LSR，而是直接從接收FIFO讀取數(shù)據(jù)，從而進(jìn)一步優(yōu)化系統(tǒng)。

　　可編程的中斷觸發(fā)等級(jí)

　　在一些應(yīng)用中，主機(jī)需要在固定時(shí)間內(nèi)接收和響應(yīng)固定長度的數(shù)據(jù)包。通過使用UART的中斷觸發(fā)等級(jí)，設(shè)計(jì)工程師可以對UART編程，使其在收到特定數(shù)量的字符以后，或者輸出特定數(shù)量的字符之后，發(fā)出一個(gè)中斷信號(hào)。目前的集成UART方案有許多預(yù)定義的觸發(fā)等級(jí)，比如1、4、8或者16。這種模式的缺點(diǎn)是，在接收到一個(gè)不是1、4、8 或者16字節(jié)的數(shù)據(jù)包以后，設(shè)計(jì)工程師難以對UART編程以產(chǎn)生中斷信號(hào)。NXP公司 SC16C850L/852L UART能夠提供127個(gè)中斷觸發(fā)等級(jí)，可以靈活地對UART編程，設(shè)計(jì)工程師可以在1到 127之間任意設(shè)置中斷觸發(fā)等級(jí)。

　　硬件和軟件流程控制提供兩個(gè)通訊UART之間的自動(dòng)握手機(jī)制，將CPU從防止數(shù)據(jù)在UART FIFO中溢出的任務(wù)中解放出來。許多集成的UART并不具備這個(gè)功能，在處理器帶寬有限、沒有時(shí)間實(shí)現(xiàn)硬件或者軟件流程控制的場合，該功能非常關(guān)鍵。越來越多的獨(dú)立UART具備這個(gè)功能，這讓設(shè)計(jì)工程師可以進(jìn)一步降低CPU的工作量。

　　如今對高速UART的需求越來越大。目前的連接解決方案，如藍(lán)牙，要求UART在低電壓下可以提供高達(dá)3Mbps的速度。有了新一代的獨(dú)立UART，系統(tǒng)可以快速處理和高速傳輸數(shù)據(jù)，同時(shí)在所有的UART信道里保持?jǐn)?shù)據(jù)完整性。目前，大量的獨(dú)立UART可以在3.3V電壓下提供高達(dá)5 Mbps的數(shù)據(jù)速率，而新一代UART，比如NXP SC16C85x 系列，可以在1.8V的電壓下提供類似的波特率(圖3)。這些類型的UART在關(guān)鍵芯片組的性能和面市時(shí)間方面提供了重要的附加價(jià)值，同時(shí)克服了目前被廣泛用在集成解決方案中的1 Mbps UART的局限性。除了速度高之外，許多獨(dú)立UART還提供對接收機(jī)和發(fā)射機(jī)的運(yùn)行速度進(jìn)行獨(dú)立編程的能力，這使獨(dú)立UART在高速集群系統(tǒng)和橋接等應(yīng)用中特別有吸引力。

　　UART的電源電壓、功率和封裝

　　隨著處理器和芯片組向低電源電壓方向發(fā)展，UART也需要支持這些新電壓，因此新一代UART已被開發(fā)為可工作在3.3V、2.5V和1.8V電壓下。為進(jìn)一步降低功耗，新型的獨(dú)立UART提供低功耗模式功能，允許在空閑狀態(tài)下將功耗減少到微安級(jí)。

　　除了低功耗要求外，越來越多采用獨(dú)立UART的系統(tǒng)還希望UART具有盡可能小的外形尺寸。今天市場上最小的獨(dú)立UART由NXP公司推出，這些產(chǎn)品采用TFBGA封裝，面積為3.5×3.5 mm。

　　低分辨率時(shí)鐘預(yù)比例器和RS485功能

　　UART需要時(shí)鐘源來產(chǎn)生波特率。這個(gè)時(shí)鐘源可以由一個(gè)需要外接晶振的片上振蕩器產(chǎn)生，或者由一個(gè)外部振蕩器產(chǎn)生。為保證在使用固定頻率時(shí)鐘源時(shí)波特率可以被編程，大部分獨(dú)立UART使用一個(gè)整數(shù)除法器，允許UART用整數(shù)N(比如1、2、3…)除以時(shí)鐘源。整數(shù)除法器的局限是低整數(shù)值的波特率范圍較窄。一些較先進(jìn)的高速UART(如NXP SC16C850L)采用有理數(shù)除法器，允許UART用分?jǐn)?shù)除以時(shí)鐘源，從而提供更寬的波特率范圍。波特率根據(jù)BR=F/(N + m/16)來計(jì)算，式中的N為從1到65k范圍內(nèi)的整數(shù)，m為從1到16范圍內(nèi)的整數(shù)。使用有理數(shù)的好處是能擴(kuò)大可編程的波特率范圍，使獲得更高性能和提高傳輸精度成為可能。

　　當(dāng)兩個(gè)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)以非常高的數(shù)據(jù)速率進(jìn)行長距離通訊時(shí)，單端方法是不行的，因此RS485和它的微分信號(hào)被用來減少網(wǎng)絡(luò)中的噪音。RS485適用于多點(diǎn)通信系統(tǒng)，但針對大多數(shù)集成UART，設(shè)計(jì)工程師需要編寫復(fù)雜的軟件去支持RS485功能。

　　許多新一代的獨(dú)立UART被設(shè)計(jì)支持RS485，以減少運(yùn)行在處理器上的軟件的復(fù)雜性。這些UART有一個(gè)內(nèi)置的功能，無需處理器介入就能自動(dòng)偵測到RS485的地址。這個(gè)功能顯著減少了CPU的處理時(shí)間，因?yàn)樗薝ART對CPU的不斷中斷請求。因?yàn)楠?dú)立UART支持自動(dòng)的RS485地址偵測，所以主機(jī)處理器可以使UART自動(dòng)偵測到自己的地址，并一旦完成偵測后就通知處理器。另外，RS485線驅(qū)動(dòng)器方向也可以通過RTS(請求到發(fā)送)引腳自動(dòng)控制，這是一個(gè)可以自動(dòng)偵測高達(dá)32個(gè)(2線總線)和6?個(gè)(4線總線)從設(shè)備地址的9位模式(也稱多點(diǎn)模式)。

　　本文小結(jié)

　　處理器和芯片組的最近發(fā)展推動(dòng)了與它們接口的外設(shè)的性能升級(jí)。最流行和最普遍的外設(shè)是UART。如今的發(fā)展趨勢展示，獨(dú)立UART已經(jīng)發(fā)展成為高性能解決方案的一部分，將它們用在系統(tǒng)可以顯著降低CPU和相關(guān)芯片組的負(fù)荷。最新的獨(dú)立UART為設(shè)計(jì)工程師提供了高速、低功耗接口，以有效地支持了藍(lán)牙EDR等連接方案。新一代UART所具有的更多特性給設(shè)計(jì)者提供了增值的解決方案，這些方案在縮短面市時(shí)間的同時(shí)，還進(jìn)一步優(yōu)化了系統(tǒng)性能并提高了系統(tǒng)的靈活性。