ATmega16 單片機帶有一個全雙工的通用同步/異步串行收發模塊USART，該接口是一個高度靈活的串行通訊設備。其主要特點如下：

全雙工操作，可同時進行收發操作；

支持同步或異步操作；

支持5、6、7、8 和9 位數據位，1 位或者2 位停止位的串行數據幀結構；

三個完全獨立的中斷，TX 發送完成，TX 發送數據寄存器空，RX 接收完成；

支持多機通訊模式；

相關寄存器：

USART 數據寄存器—UDR；

USART 控制和狀態寄存器—UCSRA，UCSRB，UCSRC；

波特率寄存器—UBRRL 和UBRRH；

 

串口背景知識

（1）串行通訊簡介

串行同步通訊容易理解，約定一個同步時鐘，每一時刻傳輸線上的信息就是要傳送的信息單元。串行異步通訊是把 一個字符看作一個獨立的信息單元，每一個字符中的各位是以固定的時間傳送。因此，這種傳送方式在同一字節內部是同步的，而字符間是異步的。在異步通信中收 發雙方取得同步的方法是采用在字符格式中設置起始位，而在字符結束時發送1～2 個停止位。當接收器檢測到起始位時，便能知道經接著的是有效的字符位，于是開始接收字符，檢測到停止位時，就將接收到的有效字符裝載到接收緩沖器中。最簡單的串口通信使用3根線完成：（1）地線，（2）發送，（3）接收。由于串口通信是異步的，端口能夠在一根線上發送數據同時在另一根線上接收數據。其他線用于握手，但是不是必須的。串口通信最重要的參數是波特率、數據位、停止位和奇偶校驗。對于兩個進行通行的端口，這些參數必須匹配：

a，波特率：這是一個衡量通信速度的參數。它表示每秒鐘傳送的bit的個數。例如300波特表示每秒鐘發送300個bit。當我們提到時鐘周期時，我們就是指波特率例如如果協議需要4800波特率，那么時鐘是4800Hz。這意味著串口通信在數據線上的采樣率為4800Hz。通常電話線的波特率為14400，28800和36600。波特率可以遠遠大于這些值，但是波特率和距離成反比。高波特率常常用于放置的很近的儀器間的通信，典型的例子就是GPIB設備的通信。

b，數據位：這是衡量通信中實際數據位的參數。當計算機發送一個信息包，實際的數據不會是8位的，標準的值是5、7和8位。如何設置取決于你想傳送的信息。比如，標準的ASCII碼是0～127（7位）。擴展的ASCII碼是0～255（8位）。如果數據使用簡單的文本（標準 ASCII碼），那么每個數據包使用7位數據。每個包是指一個字節，包括開始/停止位，數據位和奇偶校驗位。由于實際數據位取決于通信協議的選取，術語“包”指任何通信的情況。

c，停止位：用于表示單個包的最后一位。典型的值為1，1.5和2位。由于數據是在傳輸線上定時的，并且每一個設備有其自己的時鐘，很可能在通信中兩臺設備間出現了小小的不同步。因此停止位不僅僅是表示傳輸的結束，并且提供計算機校正時鐘同步的機會。適用于停止位的位數越多，不同時鐘同步的容忍程度越大，但是數據傳輸率同時也越慢。

d，奇偶校驗位：在串口通信中一種簡單的檢錯方式。有四種檢錯方式：偶、奇、高和低。當然沒有校驗位也是可以的。對于偶和奇校驗的情況，串口會設置校驗位（數據位后面的一位），用一個值確保傳輸的數據有偶個或者奇個邏輯高位。例如，如果數據是011，那么對于偶校驗，校驗位為0，保證邏輯高的位數是偶數個。如果是奇校驗，校驗位位1，這樣就有3個邏輯高位。高位和低位不真正的檢查數據，簡單置位邏輯高或者邏輯低校驗。這樣使得接收設備能夠知道一個位的狀態，有機會判斷是否有噪聲干擾了通信或者是否傳輸和接收數據是否不同步

 

通常異步通信的格式如圖：

USART 接受以下30 種組合的數據幀格式：

• 1 個起始位

• 5、 6、 7、 8 或9 個數據位

• 無校驗位、奇校驗或偶校驗位

• 1或2 個停止位

數據幀以起始位開始；緊接著是數據字的最低位，數據字最多可以有9 個數據位，以數據的最高位結束。如果使能了校驗位，校驗位將緊接著數據位，最后是結束位。當一個完整的數據幀傳輸后，可以立即傳輸下一個新的數據幀，或使傳輸線處于空閑狀態。

數據幀的結構由UCSRB 和 UCSRC 寄存器中的UCSZ2:0、 UPM1:0、USBS 設定。接收與發送使用相同的設置。設置的任何改變都可能破壞正在進行的數據傳送與接收。

（2）串口的組成

串口由陰陽兩種接口組成。最常使用的信號引腳是TD、RD 和SG，因此最簡單的串口調試只需要包含3 條引線就可以了。在RS232（一種串行工業總線標準）標準中，利用RD、TD 作為接收、發送信號線，加入地線，約定好通訊的波特率，實現串行信號傳輸。

（3）串口電平轉換電路

PC 的串口工作TTL 信號是12V 的，而在我們一般使用的電路板上，電源信號和TTL 電平是5V 的（在低功耗電路中是3.3V 的），為了將信號轉化為可用，需要做串口的電平轉換。這一部分電路已經有相應的生產廠商做出了各種集成芯片，例如MAXIM 公司的MAX232/MAX233 芯片，就是實現5V 電路中和PC 實現串口通信的電平轉換芯片，而MAX3232/MAX3233 可以實現3.3V 的電平轉換。

 

 

串口寄存器介紹

USART I/O 數據寄存器－ UDR

USART 發送數據緩沖寄存器和USART 接收數據緩沖寄存器共享相同的I/O 地址，稱為USART 數據寄存器或UDR。將數據寫入UDR 時實際操作的是發送數據緩沖器存器(TXB)，讀UDR 時實際返回的是接收數據緩沖寄存器(RXB) 的內容。在5、6、7 比特字長模式下，未使用的高位被發送器忽略，而接收器則將它們設置為0。只有當UCSRA寄存器的UDRE標志置位后才可以對發送緩沖器進行寫操作。如果UDRE沒有置位，那么寫入UDR 的數據會被USART 發送器忽略。當數據寫入發送緩沖器后，若移位寄存器為空，發送器將把數據加載到發送移位寄存器。然后數據串行地從TxD 引腳輸出。接收緩沖器包括一個兩級FIFO，一旦接收緩沖器被尋址FIFO 就會改變它的狀態。因此不要對這一存儲單元使用讀- 修改- 寫指令(SBI 和CBI)。使用位查詢指令(SBIC 和SBIS)時也要小心，因為這也有可能改變FIFO 的狀態。

 

 

USART 控制和狀態寄存器A －UCSRA

• Bit 7 – RXC: USART 接收結束

接收緩沖器中有未讀出的數據時RXC 置位，否則清零。接收器禁止時，接收緩沖器被刷新，導致RXC 清零。RXC 標志可用來產生接收結束中斷( 見對RXCIE 位的描述)。

• Bit 6 – TXC: USART 發送結束

發送移位緩沖器中的數據被送出，且當發送緩沖器 (UDR) 為空時TXC 置位。執行發送結束中斷時TXC 標志自動清零，也可以通過寫1 進行清除操作。TXC 標志可用來產生發送結束中斷( 見對TXCIE 位的描述)。

 

• Bit 5 – UDRE: USART 數據寄存器空

UDRE標志指出發送緩沖器(UDR)是否準備好接收新數據。UDRE為1說明緩沖器為空，已準備好進行數據接收。UDRE標志可用來產生數據寄存器空中斷(見對UDRIE位的描述)。復位后UDRE 置位，表明發送器已經就緒。

• Bit 4 – FE: 幀錯誤

如果接收緩沖器接收到的下一個字符有幀錯誤，即接收緩沖器中的下一個字符的第一個停止位為0，那么FE 置位。這一位一直有效直到接收緩沖器(UDR) 被讀取。當接收到的停止位為1 時， FE 標志為0。對UCSRA 進行寫入時，這一位要寫0。

• Bit 3 – DOR: 數據溢出

數據溢出時DOR 置位。當接收緩沖器滿( 包含了兩個數據)，接收移位寄存器又有數據，若此時檢測到一個新的起始位，數據溢出就產生了。這一位一直有效直到接收緩沖器(UDR) 被讀取。對UCSRA 進行寫入時，這一位要寫0。

• Bit 2 – PE: 奇偶校驗錯誤

當奇偶校驗使能(UPM1 = 1)，且接收緩沖器中所接收到的下一個字符有奇偶校驗錯誤時UPE 置位。這一位一直有效直到接收緩沖器 (UDR) 被讀取。對UCSRA 進行寫入時，這一位要寫0。

• Bit 1 – U2X: 倍速發送

這一位僅對異步操作有影響。使用同步操作時將此位清零。此位置1 可將波特率分頻因子從16 降到8，從而有效的將異步通信模式的傳輸速率加倍。

• Bit 0 – MPCM: 多處理器通信模式

設置此位將啟動多處理器通信模式。MPCM 置位后， USART 接收器接收到的那些不包含地址信息的輸入幀都將被忽略。發送器不受MPCM設置的影響。詳細信息請參考 P150“多處理器通訊模式” 。

 

 

USART 控制和狀態寄存器B －UCSRB

• Bit 7 – RXCIE: 接收結束中斷使能

置位后使能RXC 中斷。當RXCIE 為1，全局中斷標志位SREG 置位， UCSRA 寄存器的RXC 亦為1 時可以產生USART 接收結束中斷。

• Bit 6 – TXCIE: 發送結束中斷使能

置位后使能TXC 中斷。當TXCIE 為1，全局中斷標志位SREG 置位，UCSRA 寄存器的TXC 亦為1 時可以產生USART 發送結束中斷。

• Bit 5 – UDRIE: USART 數據寄存器空中斷使能

置位后使能UDRE 中斷。當UDRIE 為1，全局中斷標志位SREG 置位，UCSRA 寄存器的UDRE 亦為1 時可以產生USART 數據寄存器空中斷。

• Bit 4 – RXEN: 接收使能

置位后將啟動USART 接收器。RxD 引腳的通用端口功能被USART 功能所取代。禁止接收器將刷新接收緩沖器，并使 FE、DOR 及PE 標志無效。

 

• Bit 3 – TXEN: 發送使能

置位后將啟動將啟動USART 發送器。TxD 引腳的通用端口功能被USART 功能所取代。TXEN 清零后，只有等到所有的數據發送完成后發送器才能夠真正禁止，即發送移位寄存器與發送緩沖寄存器中沒有要傳送的數據。發送器禁止后，TxD引腳恢復其通用I/O功能。

• Bit 2 – UCSZ2: 字符長度

UCSZ2與UCSRC寄存器的UCSZ1:0結合在一起可以設置數據幀所包含的數據位數(字符長度)。

• Bit 1 – RXB8: 接收數據位 8

對9 位串行幀進行操作時，RXB8 是第9 個數據位。讀取UDR 包含的低位數據之前首先要讀取RXB8。

• Bit 0 – TXB8: 發送數據位8

對9 位串行幀進行操作時，TXB8 是第9 個數據位。寫UDR 之前首先要對它進行寫操作。

 

 

USART 控制和狀態寄存器C －UCSRC

• Bit 7 – URSEL: 寄存器選擇

通過該位選擇訪問UCSRC 寄存器或UBRRH 寄存器。當讀UCSRC 時，該位為1 ；當寫UCSRC 時， URSEL 為1。

• Bit 6 – UMSEL: USART 模式選擇

通過這一位來選擇同步或異步工作模式。

• Bit 5:4 – UPM1:0: 奇偶校驗模式

這兩位設置奇偶校驗的模式并使能奇偶校驗。如果使能了奇偶校驗，那么在發送數據，發送器都會自動產生并發送奇偶校驗位。對每一個接收到的數據，接收器都會產生一奇偶值，并與UPM0 所設置的值進行比較。如果不匹配，那么就將UCSRA 中的PE 置位。

• Bit 3 – USBS: 停止位選擇

通過這一位可以設置停止位的位數。接收器忽略這一位的設置。

• Bit 2:1 – UCSZ1:0: 字符長度

UCSZ1:0與UCSRB寄存器的 UCSZ2結合在一起可以設置數據幀包含的數據位數(字符長度)。

• Bit 0 – UCPOL: 時鐘極性

這一位僅用于同步工作模式。使用異步模式時，將這一位清零。UCPOL 設置了輸出數據的改變和輸入數據采樣，以及同步時鐘XCK 之間的關系。

 

 

USART 波特率寄存器－ UBRRL和UBRRH

UCSRC寄存器與UBRRH寄存器共用相同的I/O地址。

• Bit 15 – URSEL: 寄存器選擇

通過該位選擇訪問UCSRC 寄存器或UBRRH 寄存器。當讀UBRRH 時，該位為0 ；當寫UBRRH 時， URSEL 為0。

• Bit 14:12 – 保留位

這些位是為以后的使用而保留的。為了與以后的器件兼容，寫UBRRH 時將這些位清零。

• Bit 11:0 – UBRR11:0: USART 波特率寄存器

這個12 位的寄存器包含了USART 的波特率信息。其中UBRRH 包含了USART 波特率高4 位，UBRRL 包含了低8 位。波特率的改變將造成正在進行的數據傳輸受到破壞。寫UBRRL 將立即更新波特率分頻器。

 

 

進行通信之前首先要對USART 進行初始化。初始化過程通常包括波特率的設定，幀結構的設定，以及根據需要使能接收器或發送器。對于中斷驅動的USART 操作，在初始化時首先要清零全局中斷標志位( 全局中斷被屏蔽)

串口初始化：

使用串口->使能接收 ->使能發送->波特率（本例使用 9600）->奇偶校驗（disable）->數據位數（8bit）->中斷（RX Complete interrupt）

 

//ICC-AVR application builder : 2007-5-10 下午 08:51:56

// Target : M16

// Crystal: 11.059Mhz

 

//UART0 initialisation

// desired baud rate: 9600

// actual: baud rate:9600 (0.0%)

// char size: 8 bit

// parity: Disabled

void uart0_init(void)

{

 UCSRB = 0x00; //disable while setting baud rate

 UCSRA = 0x00;

 UCSRC = 0x86;

 UBRRL = 0x47; //set baud rate lo

 UBRRH = 0x00; //set baud rate hi

 UCSRB = 0x98;

}

//省略了端口初始化

//call this routine to initialise all peripherals

void init_devices(void)   

{

 //stop errant interrupts until set up

 CLI(); //disable all interrupts

 port_init();

 uart0_init();    //注意這句  調用串口初始化

 

 MCUCR = 0x00;

 GICR  = 0x00;

 TIMSK = 0x00; //timer interrupt sources

 SEI(); //re-enable interrupts

 //all peripherals are now initialised