UART: скорость, передача, приём и printf

Скорость: UBRR0

USART0 получает скорость, деля тактовую частоту. Значение делителя записывают в 12-битный регистр UBRR0 (от 0 до 4095), формула — в табл. 20-1:

Бит U2X0 в регистре UCSR0A уменьшает делитель с 16 до 8 и удваивает скорость (раздел 20.3.2), тогда в знаменателе стоит 8. Результат округляют до целого, поэтому реальная скорость отличается от заданной. Ошибку считают так: реальная скорость = f_osc / (16 · (UBRR0 + 1)), ошибка = реальная / заданная − 1.

Для 9600 бит/с при 16 МГц: 16 000 000 / (16 · 9600) − 1 ≈ 103,17 → UBRR0 = 103, реальная скорость 16 000 000 / (16 · 104) ≈ 9615 бит/с, ошибка +0,2 % — совпадает с табл. 20-7 даташита.

Насколько можно ошибиться? Приёмник подстраивается по стартовому биту, но к концу кадра ошибка накапливается. Для 8 бит данных без чётности наибольшая допустимая суммарная ошибка — +4,58/−4,54 % при U2X0 = 0 и +3,90/−4,00 % при U2X0 = 1, а рекомендуемая ошибка скорости приёмника — ±2,0 % и ±1,5 % соответственно (табл. 20-2 и 20-3). Рекомендации даны в предположении, что приёмник и передатчик делят суммарную ошибку поровну (раздел 20.8.3), поэтому ошибку из таблицы скоростей сравнивают с ±2,0 % и ±1,5 %, а не с суммарным пределом. Несколько строк табл. 20-7 для 16 МГц:

Видно, что 115 200 при 16 МГц выходит за рекомендуемые пределы в обоих режимах. Для учебных программ надёжнее 9600 или 38 400.

Формат и включение

Регистр UCSR0C задаёт формат кадра. После сброса он равен 0x06: 8 бит данных, без чётности, 1 стоп-бит — привычный формат 8N1, так что трогать его не нужно (раздел 20.11). Регистр UCSR0B включает передатчик битом TXEN0 и приёмник битом RXEN0 (раздел 20.5).

Работают два флага регистра UCSR0A:

• UDRE0 — буфер передачи пуст, можно записывать следующий байт в UDR0 (раздел 20.6.3);
• RXC0 — принят байт, его можно читать из UDR0 (раздел 20.7).

Передача, приём и эхо

#define F_CPU 16000000UL
#define BAUD 9600UL
#include <avr/io.h>
#include <stdint.h>

#define UBRR_VALUE ((F_CPU / (16UL * BAUD)) - 1)    /* 103 at 16 MHz */

static void uart_init(void)
{
    UBRR0 = UBRR_VALUE;                 /* baud rate, U2X0 = 0 */
    UCSR0B = _BV(RXEN0) | _BV(TXEN0);   /* receiver and transmitter on */
    /* UCSR0C keeps its reset value 0x06: 8 data bits, no parity, 1 stop bit */
}

static void uart_putc(char c)
{
    while (!(UCSR0A & _BV(UDRE0))) {
        /* wait for an empty transmit buffer */
    }
    UDR0 = c;
}

static char uart_getc(void)
{
    while (!(UCSR0A & _BV(RXC0))) {
        /* wait for a received byte */
    }
    return UDR0;
}

int main(void)
{
    uart_init();
    for (;;) {
        char c = uart_getc();
        if (c >= 'a' && c <= 'z') {
            c = c - 'a' + 'A';          /* echo letters in upper case */
        }
        uart_putc(c);
    }
}

Откройте монитор порта на 9600 бит/с с форматом 8N1 — например, в Arduino IDE или любой терминальной программе — и наберите текст: плата вернёт его заглавными буквами. Учтите, что открытие порта на Uno перезапускает плату: загрузчик около секунды ждёт новую прошивку, а затем запускает вашу программу.

Целочисленная формула UBRR_VALUE отбрасывает дробную часть, а не округляет. Для 9600 бит/с это не важно, но для других скоростей лучше заголовок avr-libc util/setbaud.h: по заданным F_CPU и BAUD он сам вычисляет UBRRH_VALUE, UBRRL_VALUE и решает, нужен ли U2X0.

printf через UART

Функция printf из avr-libc пишет в поток stdout, а поток можно связать с собственной функцией вывода символа макросом FDEV_SETUP_STREAM. Добавим к программе выше (без функции main из эха) печать результата АЦП из урока 7:

#include <stdio.h>

static int uart_putchar(char c, FILE *stream)
{
    if (c == '\n') {
        uart_putchar('\r', stream);     /* terminals expect CR LF */
    }
    uart_putc(c);
    return 0;
}

static FILE uart_out = FDEV_SETUP_STREAM(uart_putchar, NULL, _FDEV_SETUP_WRITE);

int main(void)
{
    uart_init();
    stdout = &uart_out;

    uint16_t n = 0;
    for (;;) {
        printf("tick %u\n", n++);
        /* add adc_read(0) from lesson 7 and _delay_ms(500) from util/delay.h here */
    }
}

printf по умолчанию не умеет печатать float — для этого нужна полная версия vfprintf и ключи компоновщика -Wl,-u,vfprintf -lprintf_flt -lm. Обычно проще печатать целые: милливольты вместо вольт.

Безопасность

• Выводы 0 и 1 Uno уже подключены к мосту USB-UART. Если подключить к ним ещё одно устройство с активным выходом TX, два выхода окажутся соединены друг с другом. Внешний модуль подключают к этим выводам только при отключённом USB или через резисторы около 1 кОм (наша рекомендация).
• Уровни UART ATmega328P — логические 0 и 5 В. Порт RS-232 компьютера использует уровни до ±15 В и требует преобразователя вроде MAX232: напрямую его к выводам подключать нельзя — абсолютный максимум на выводе VCC + 0,5 В (раздел 29.1).

Задание

Нужна скорость 57 600 бит/с при 16 МГц. Посчитайте UBRR0 и ошибку в обоих режимах — с U2X0 = 0 и U2X0 = 1 — и выберите режим.

Что дальше

Это последний урок первой части трека. Дальше в плане — внешние прерывания, EEPROM, сторожевой таймер и сон, SPI и I2C. А пока можно соединить всё пройденное: таймер с прерыванием каждые 500 мс запускает АЦП и печатает результат через UART. UBRR для любой частоты и скорости с ошибкой посчитает калькулятор скорости UART, полный код инициализации USART, таймеров и АЦП соберёт генератор кода AVR. Регистры USART0 с битами — на странице регистров USART0 ATmega328P. Сам интерфейс подробно разобран в статье «UART», а как подключить плату к компьютеру — в ответе «Как подключить UART к компьютеру». Коротко о понятиях — термины «Скорость передачи» и «Старт- и стоп-биты». Все уроки трека — на странице «AVR с нуля».