關于UART 控制器的RTS/CTS技術分析

在RS232 中本來 CTS 與 RTS 有明確的意義，但自從賀氏（HAYES ） 推出了聰明貓（SmartModem）后就有點混淆了，不過現(xiàn)在這種意義為主流意義的，各大芯片制造廠家對 UART 控制器的流控基本采用 HAYES MODEM 流控解釋。

在 RS232 中 RTS 與 CTS 是用來半雙工模式下的方向切換，本文不解釋；

如果 UART 只有 RX、TX 兩個信號，要流控的話只能是軟流控；如果有 RX，TX，CTS，RTS 四個信號，則多半是支持硬流控的 UART；如果有 RX，TX，CTS ，RTS ，DTR，DSR 六個信號的話，RS232 標準的可能性比較大。

SIMCOM 公司對 RTS/CTS 的解釋：

（要注意區(qū)別是不是講串口支持硬流控的 RTS/CTS，別看為益，在和瑞芯微調試硬件流控時，被這個非主流的解釋搞得暈頭轉向的）

RTS 是模塊的輸入端，用于 MCU 通知模塊，MCU 是否準備好，模塊是否可向 MCU 發(fā)送信息，RTS 的有效電平為低。

CTS 是模塊的輸出端，用于模塊通知 MCU，模塊是否準備好，MCU 是否可向模塊發(fā)送信息，CTS 的有效電平為低

HAYES Modem 中的 RTS ，CTS 是用來進 行硬件流控的?，F(xiàn)在通常 UART 的 RTC、CTS 的含義指后者，即用來做硬流控的。

硬流控的 RTS、CTS：

（現(xiàn)在做串口使用 RTS/CTS 必看內容，因為 MTK/）

RTS （Require ToSend，發(fā)送請求）為輸出信號，用于指示本設備準備好可接收數(shù)據(jù)，低電平有效，低電平說明本設備可以接收數(shù)據(jù)。

CTS （Clear ToSend，發(fā)送允許）為輸入信號，用于判斷是否可以向對方發(fā)送數(shù)據(jù)，低電平有效，低電平說明本設備可以向對方發(fā)送數(shù)據(jù)。

此處有人將 CTS 翻譯為發(fā)送允許，我感覺的確比翻譯為清除發(fā)送好。因為 CTS 是對方的 RTS 控制己方的 CTS 是否允許發(fā)送的功能。

用 AP 與 MODEM 采用流控收發(fā)串口數(shù)據(jù)舉例：

CTS 為輸入

RTS 為輸出

AP 的 CTS 對接 MODEM 的 RTS；MODEM 的 CTS 對接 AP 的 RTS。

默認啟動時：

AP 的 CTS 為高

AP 的 RTS 為低

MODEM 的 CTS 高 但極容易被拉低

MODEM 的 RTS 低

默認休眠時

MODEM 的 CTS 高 但極容易被拉低

MODEM 的 RTS 高

其中 CTS 用電壓表測量電壓時發(fā)現(xiàn)：在測量最初的大概 200ms 時，為高電平，然后電壓值不斷下降，變成低電平，這說明 CTS 懸空時應該為高，這中高電平僅僅是一定量的正電荷而已。

不知道芯片設計時，規(guī)格說明書為什么要寫 CTS 默認為高，CTS 僅僅是輸入端，不需要什么默認值啊。并且在流控打開情況下，不接 CTS 與 RTS，也是可以正常 3 根線（RXD/TXD/GND）通信的，這說明不接 RTS/CTS 時，CTS 為低電平才對。為何實際使用與芯片規(guī)格說明書不一致，可能是被外殼金屬蓋干擾到低電平了，畢竟自己用的模塊，CTS 是如此靠近低電平的金屬保護蓋，并且 CTS 為輸入口，沒有上拉下拉電平能力。

AP 與 MODEM 的流控這樣通信的：

AP 串口可用時，將 AP-RTS 拉低，MODEM-CTS 檢測到 AP-RTS 為低，知道 AP 串口已準備好，可以發(fā)送數(shù)據(jù)；

AP 串口不可用時，將 AP-RTS 拉高，MODEM-CTS 檢測到 AP-RTS 為高，知道 AP 串口還未準備好，就不會放數(shù)據(jù)。

MODEM 串口可用與不可用時的交互是同樣道理。

沒有串口控制器，用中斷和普通 IO 口即可實現(xiàn) RTS 與 CTS 功能。

RTS 用 GPIO 實現(xiàn)，串口就緒（無數(shù)據(jù)發(fā)送，等待接收）拉低電平，串口忙（自己有數(shù)據(jù)發(fā)送）拉高電平

CTS 用中斷實現(xiàn)，檢測到低電平，將串口數(shù)據(jù)發(fā)送出去，檢測到高電平則保留串口數(shù)據(jù)直到檢測到低電平為止。

下面是摘錄網(wǎng)上有用的參考資料：

假定 A、B 兩設備通信，A 設備的 RTS 連接 B 設備的 CTS ；A 設備的 CTS 連接 B 設備的 RTS 。

前一路信號控制 B 設備的發(fā)送，后一路信號控制 A 設備的發(fā)送。對 B 設備的發(fā)送（A 設備接收）來說，如果 A 設備接收緩沖快滿的時發(fā)出 RTS 信號（RTS 拉高，RTS 無效，告知對方停止發(fā)送），通知 B 設備停止發(fā)送，B 設備通過 CTS 檢測到該信號，停止發(fā)送；一段時間后 A 設備接收緩沖有了空余，發(fā)出 RTS 信號（RTS 拉低，RTS 有效，請求發(fā)送），指示 B 設備開始發(fā)送數(shù)據(jù)。A 設備發(fā)（B 設備接收）類似。

上述功能也能在數(shù)據(jù)流中插入 Xoff（特殊字符）和 Xon（另一個特殊字符）信號來實現(xiàn)。A 設備一旦接收到 B 設備發(fā)送過來的 Xoff，立刻停止發(fā)送；反之，如接收到 B 設備發(fā)送過來的 Xon，則恢復發(fā)送數(shù)據(jù)給 B 設備。同理，B 設備也類似，從而實現(xiàn)收發(fā)雙方的速度匹配。

半雙工的方向切換：RS232 中使用 DTR（Date Terminal Ready，數(shù)據(jù)終端準備）與 DSR（Data Set Ready ，數(shù)據(jù)設備準備好）進行主流控，類似上述的 RTS 與 CTS 。對半雙工的通信的 DTE（Date Terminal Equipment，數(shù)據(jù)終端設備）與 DCE（Data circuitEquipment ）來說，默認的方向是 DTE 接收，DCE 發(fā)送。如果 DTE 要發(fā)送數(shù)據(jù)，必須發(fā)出 RTS 信號，請求發(fā)送數(shù)據(jù)。DCE 收到后如果空閑則發(fā)出 CTS 回應 RTS 信號，表示響應請求，這樣通信方向就變?yōu)?DTE-》TCE，同時 RTS 與 CTS 信號必須一直保持。從這里可以看出，CTS ，TRS 雖然也有點流控的意思（如 CTS 沒有發(fā)出，DTE 也不能發(fā)送數(shù)據(jù)），但主要是用來進行方向切換的。

流控制在串行通訊中的作用

這里講到的“流”，當然指的是數(shù)據(jù)流。數(shù)據(jù)在兩個串口之間傳輸時，常常會出現(xiàn)丟失數(shù)據(jù)的現(xiàn)象，或者兩臺計算機的處理速度不同，如臺式機與單片機之間的通訊，接收端數(shù)據(jù)緩沖區(qū)已滿，則此時繼續(xù)發(fā)送來的數(shù)據(jù)就會丟失。現(xiàn)在我們在網(wǎng)絡上通過 MODEM 進行數(shù)據(jù)傳輸，這個問題就尤為突出。流控制能解決這個問題，當接收端數(shù)據(jù)處理不過來時，就發(fā)出“不再接收”的信號，發(fā)送端就停止發(fā)送，直到收到“可以繼續(xù)發(fā)送”的信號再發(fā)送數(shù)據(jù)。因此流控制可以控制數(shù)據(jù)傳輸?shù)倪M程，防止數(shù)據(jù)的丟失。PC 機中常用的兩種流控制是硬件流控制（包括 RTS/CTS、DTR/CTS 等）和軟件流控制 XON/XOFF（繼續(xù) / 停止），下面分別說明。

硬件流控制

硬件流控制常用的有 RTS/CTS 流控制和 DTR/DSR（數(shù)據(jù)終端就緒 / 數(shù)據(jù)設置就緒）流控制。

硬件流控制必須將相應的電纜線連上，用 RTS/CTS（請求發(fā)送 / 清除發(fā)送）流控制時，應將通訊兩端的 RTS、CTS 線對應相連，數(shù)據(jù)終端設備（如計算機）使用 RTS 來起始調制解調器或其它數(shù)據(jù)通訊設備的數(shù)據(jù)流，而數(shù)據(jù)通訊設備（如調制解調器）則用 CTS 來起動和暫停來自計算機的數(shù)據(jù)流。這種硬件握手方式的過程為：我們在編程時根據(jù)接收端緩沖區(qū)大小設置一個高位標志（可為緩沖區(qū)大小的 75％）和一個低位標志（可為緩沖區(qū)大小的 25％），當緩沖區(qū)內數(shù)據(jù)量達到高位時，我們在接收端將 CTS 線置低電平（送邏輯 0），當發(fā)送端的程序檢測到 CTS 為低后，就停止發(fā)送數(shù)據(jù)，直到接收端緩沖區(qū)的數(shù)據(jù)量低于低位而將 CTS 置高電平。RTS 則用來標明接收設備有沒有準備好接收數(shù)據(jù)。

常用的流控制還有還有 DTR/DSR（數(shù)據(jù)終端就緒 / 數(shù)據(jù)設置就緒）。我們在此不再詳述。由于流控制的多樣性，我個人認為，當軟件里用了流控制時，應做詳細的說明，如何接線，如何應用。

軟件流控制

由于電纜線的限制，我們在普通的控制通訊中一般不用硬件流控制，而用軟件流控制。一般通過 XON/XOFF 來實現(xiàn)軟件流控制。常用方法是：當接收端的輸入緩沖區(qū)內數(shù)據(jù)量超過設定的高位時，就向數(shù)據(jù)發(fā)送端發(fā)出 XOFF 字符（十進制的 19 或 Control-S，設備編程說明書應該有詳細闡述），發(fā)送端收到 XOFF 字符后就立即停止發(fā)送數(shù)據(jù)；當接收端的輸入緩沖區(qū)內數(shù)據(jù)量低于設定的低位時，就向數(shù)據(jù)發(fā)送端發(fā)出 XON 字符（十進制的 17 或 Control-Q），發(fā)送端收到 XON 字符后就立即開始發(fā)送數(shù)據(jù)。一般可以從設備配套源程序中找到發(fā)送的是什么字符。

應該注意，若傳輸?shù)氖嵌M制數(shù)據(jù)，標志字符也有可能在數(shù)據(jù)流中出現(xiàn)而引起誤操作，這是軟件流控制的缺陷，而硬件流控制不會有這個問題。

問題

1.UART 和 RS232 是什么關系？

UART（Universal Asynchronization Receviver/Transmite） 可以作為一種軟件接口協(xié)議來看，包括 RS232、RS485、RS422 等接口標準規(guī)范和總線標準規(guī)范，這些標準規(guī)定了接口的電氣特性（如電平）、傳輸速率、連接特性等，實際上屬于通信網(wǎng)絡中的物理層的概念，與通信協(xié)議沒有直接關系，通信協(xié)議一般屬于鏈路層即 link 層的概念。

那么 RS232 和 TTL 的 uart 什么關系呢？都是 uart 協(xié)議，就像上述提到的，只是電氣特性如電平不同。

2.UART 是全雙工通信，為何需要 RTS 和 CTS 來控制方向呢？

在 uart 全雙工通信中是不需要 RTS 和 CTS 的，二者只是用在半雙工通信中，如 RS485.

3. 在很多芯片手冊中，uart 支持 IrDA（紅外）和 RS485 模式，支持 RS485 模式是什么概念呢？

在 SAM4S 芯片手冊中，RS485 模式是如下這么描述的：

While operating in RS485 mode， the USART behaves as though in Async or Sync mode and configuration of all the parameters is possible 。

The difference is that the RTS pin is driven high when the transmitter is operating.

The RTS pin is controlled by TXEMPTY bit.

也就是說在 RS485 模式下，區(qū)別于正常模式在于當處于發(fā)送情況下，RTS 腳是拉高的，一旦發(fā)送結束（TXEMPTY 置位），RTS 拉低，通知對方可以發(fā)送數(shù)據(jù)，從而完成硬件自動流控。

下面圖 1 為 SAM4S 的 RS485 模式連接圖，圖 2 為 i.MX6 的的 RS485 模式連接圖。

4. 通常情況，串口起始位和停止位分別什么電平來表示？

起始位通常為低電平，用來同步；停止位為高電平，用來表示幀結束。

編輯：hfy