Универсальный асинхронный приемопередатчик (UART)

Введение

Компьютерное аппаратное устройство

Универсальный асинхронный приёмник-передатчик (UART /juːɑːrt/) – это периферийное устройство для асинхронной последовательной связи, в котором формат данных и скорость передачи конфигурируемы. Он отправляет биты данных последовательно, от младшего к старшему, обрамлённые стартовыми и стоповыми битами, чтобы точная синхронизация обеспечивалась каналом связи. Электрические уровни сигналов обрабатываются драйвером, расположенным вне UART. Распространённые уровни сигналов – RS 232, RS 485 и прямой TTL для коротких отладочных соединений. Ранние телетайпы использовали токовые петли. Это было одно из первых устройств компьютерной связи, использовавшееся для подключения телетайпов в качестве консоли оператора. Оно также являлось ранней аппаратной системой для Интернета. UART обычно представляет собой отдельную (или часть) интегральную схему (ИС), используемую для последовательной связи через последовательный порт компьютера или периферийного устройства. Один или несколько периферийных устройств UART обычно интегрированы в микроконтроллеры. Специализированные UART используются в автомобилях, смарт-картах и SIM-картах. Связанное устройство, универсальный синхронный и асинхронный приёмник-передатчик (USART), также поддерживает синхронный режим работы. В терминах модели OSI, UART функционирует на втором уровне – канальном уровне.

Начало

Стартовый бит сообщает приемнику о начале передачи нового символа.

Биты данных

Следующие пять-девять бит, в зависимости от используемого набора кодов, кодируют символ.

Биты паритета

Если используется бит четности, он располагается после всех битов данных. Бит четности позволяет принимающему UART определить, были ли какие-либо изменения в данных во время передачи.

Остановись.

Следующие один или два бита всегда находятся в состоянии логического высокого уровня (т.е. "1") и называются стоповыми битами. Они сигнализируют приемнику о завершении передачи символа. Поскольку стартовый бит имеет логический низкий уровень (0), а стоповый бит – логический высокий уровень (1), между символами всегда происходит как минимум два гарантированных изменения сигнала. Если линия удерживается в логическом низком состоянии дольше времени, необходимого для передачи символа, это является состоянием обрыва, которое может быть обнаружено UART.

Приемник

Все операции аппаратной части UART контролируются внутренним тактовым сигналом, работающим с частотой, кратной скорости передачи данных, обычно в 8 или 16 раз превышающей скорость передачи битов. Приемник проверяет состояние входящего сигнала с каждым тактовым импульсом, выявляя начало стартового бита. Если кажущийся стартовый бит длится не менее половины времени бита, он считается действительным и сигнализирует о начале нового символа. В противном случае он рассматривается как ложный импульс и игнорируется. После ожидания еще одного периода бита состояние линии снова опрашивается, и полученный уровень записывается в сдвиговый регистр. По истечении необходимого количества периодов битов, соответствующих длине символа (обычно от 5 до 8 бит), содержимое сдвигового регистра становится доступным (в параллельном виде) для принимающей системы. UART устанавливает флаг, указывающий на наличие новых данных, и может также генерировать прерывание процессора с запросом на передачу полученных данных хост-процессором. Связывающиеся UART не имеют общей системы синхронизации, кроме сигнала связи. Обычно UART пересинхронизируют свои внутренние часы при каждом изменении линии данных, которое не распознается как ложный импульс. Получая таким образом информацию о времени, они надежно принимают данные, даже если передатчик отправляет их с немного отличающейся скоростью. Более простые UART не делают этого; вместо этого они пересинхронизируются только по спадающему фронту стартового бита, а затем считывают середину каждого ожидаемого бита данных, и эта система работает, если скорость передачи данных достаточно точна для надежного считывания стоповых битов. Стандартной функцией UART является хранение последнего принятого символа во время приема следующего. Этот "двойной буфер" предоставляет принимающему компьютеру время, равное полному времени передачи символа, для получения принятого символа. Многие UART имеют небольшую буферную память FIFO (First In, First Out – первый пришел, первый ушел) между сдвиговым регистром приемника и интерфейсом хост-системы. Это дает хост-процессору еще больше времени для обработки прерывания от UART и предотвращает потерю принятых данных при высоких скоростях.

All operations of the UART hardware are controlled by an internal clock signal which runs at a multiple of the data rate, typically 8 or 16 times the bit rate. The receiver tests the state of the incoming signal on each clock pulse, looking for the beginning of the start bit. If the apparent start bit lasts at least one half of the bit time, it is valid and signals the start of a new character. If not, it is considered a spurious pulse and is ignored. After waiting a further bit time, the state of the line is again sampled and the resulting level clocked into a shift register. After the required number of bit periods for the character length (5 to 8 bits, typically) have elapsed, the contents of the shift register are made available (in parallel fashion) to the receiving system. The UART will set a flag indicating new data is available, and may also generate a processor interrupt to request that the host processor transfers the received data. Communicating UARTs have no shared timing system apart from the communication signal. Typically, UARTs resynchronize their internal clocks on each change of the data line that is not considered a spurious pulse. Obtaining timing information in this manner, they reliably receive when the transmitter is sending at a slightly different speed than it should. Simplistic UARTs do not do this; instead they resynchronize on the falling edge of the start bit only, and then read the center of each expected data bit, and this system works if the broadcast data rate is accurate enough to allow the stop bits to be sampled reliably. It is a standard feature for a UART to store the most recent character while receiving the next. This "double buffering" gives a receiving computer an entire character transmission time to fetch a received character. Many UARTs have a small first in, first out (FIFO) buffer memory between the receiver shift register and the host system interface. This allows the host processor even more time to handle an interrupt from the UART and prevents loss of received data at high rates.

Передатчик

Операция передачи проще, поскольку время не нужно определять по состоянию линии и она не привязана к фиксированным временным интервалам. Как только передающая система помещает символ в сдвиговый регистр (после завершения передачи предыдущего символа), UART генерирует стартовый бит, сдвигает необходимое количество битов данных на линию, генерирует и отправляет бит четности (если используется) и отправляет стоповые биты. Поскольку работа в режиме полной дуплексной связи требует одновременной передачи и приема символов, UART используют два отдельных сдвиговых регистра для передаваемых и принимаемых символов. Высокопроизводительные UART могут содержать FIFO-буфер (first in first out) для передачи, позволяющий процессору или DMA-контроллеру записывать сразу несколько символов в FIFO, а не по одному в сдвиговый регистр. Поскольку передача одного или нескольких символов может занимать значительное время относительно скорости процессора, UART поддерживает флаг занятости, чтобы хост-система знала, есть ли хотя бы один символ в буфере передачи или сдвиговом регистре; сигнал "готов к приему следующих символов" также может подаваться посредством прерывания.

Применение

Для правильной работы передающие и принимающие UART должны быть настроены на одинаковую скорость передачи, длину символа, схему проверки чётности и количество стоповых битов. Принимающий UART может обнаружить некоторые несоответствия в настройках и установить флаг "ошибка кадрирования" для хост-системы; в исключительных случаях принимающий UART будет выдавать непредсказуемую последовательность искажённых символов и передавать их в хост-систему. Типичные последовательные порты, используемые с персональными компьютерами, подключенными к модемам, используют восемь бит данных, без проверки чётности и один стоповый бит; для этой конфигурации количество символов ASCII в секунду равно скорости передачи, делённой на 10. Некоторые очень дешёвые домашние компьютеры или встраиваемые системы обходятся без UART и используют процессор для считывания состояния входного порта или непосредственного управления выходным портом для передачи данных. Хотя это требует значительных вычислительных ресурсов процессора (поскольку критически важна точность синхронизации процессора), чип UART можно таким образом исключить, что позволяет сэкономить средства и место. Эта техника известна как программная эмуляция UART.

История

Некоторые ранние схемы телеграфа использовали импульсы переменной длины (как в коде Морзе) и вращающиеся часовые механизмы для передачи алфавитных символов. Первыми устройствами последовательной связи (с импульсами фиксированной длины) были вращающиеся механические переключатели (коммутаторы). Различные кодировки символов, использующие 5, 6, 7 или 8 бит данных, стали распространены в телепринтерах, а позже и в компьютерных периферийных устройствах. Телетайп был отличным универсальным устройством ввода-вывода для небольшого компьютера. Гордон Белл из DEC разработал первый UART, занимавший всю печатную плату, называемую линейным блоком, для серии компьютеров PDP, начиная с PDP 1. По словам Белла, основным новшеством UART было использование дискретизации для преобразования сигнала в цифровую область, что обеспечивало более надежную синхронизацию, чем в предыдущих схемах, использовавших аналоговые устройства синхронизации с ручной регулировкой потенциометров. Чтобы снизить стоимость проводки, системной платы и других компонентов, эти компьютеры также стали пионерами в использовании управления потоком данных с помощью символов XON и XOFF вместо аппаратных линий. DEC скомпоновал конструкцию линейного блока в ранний однокристальный UART для собственного использования. В 1990-х годах были разработаны новые UART с буферами на кристалле. Это позволило увеличить скорость передачи данных без потери информации и без необходимости столь частой нагрузки на процессор. Например, популярный National Semiconductor 16550 имеет 16-байтовый FIFO и породил множество вариантов, включая 16C550, 16C650, 16C750 и 16C850. В зависимости от производителя для обозначения устройств, выполняющих функции UART, используются различные термины. Intel назвала свой 8251 устройством "Программируемый коммуникационный интерфейс". MOS Technology 6551 был известен под названием "Адаптер асинхронного коммуникационного интерфейса" (ACIA). Термин "Последовательный коммуникационный интерфейс" (SCI) впервые был использован в Motorola около 1975 года для обозначения их асинхронного последовательного интерфейса с началом и окончанием кадра, который другие называли UART. Zilog производила ряд контроллеров последовательной связи или SCC. Начиная с 2000-х годов, большинство компьютеров, совместимых с IBM PC, отказались от внешних COM-портов RS 232 и стали использовать порты USB, способные передавать данные быстрее. Для пользователей, которым все еще требуются последовательные порты RS 232, теперь обычно используются внешние USB-мосты в UART. Они объединяют аппаратные кабели и чип для преобразования USB в UART. Cypress Semiconductor и FTDI – два из основных коммерческих поставщиков этих чипов. Хотя порты RS 232 больше не доступны для пользователей на внешних интерфейсах большинства компьютеров, многие внутренние процессоры и микропроцессоры имеют встроенные UART для обеспечения возможности аппаратным разработчикам взаимодействовать с другими чипами или устройствами, использующими RS 232 или RS 485 для связи.

Some early telegraph schemes used variable length pulses (as in Morse code) and rotating clockwork mechanisms to transmit alphabetic characters. The first serial communication devices (with fixed length pulses) were rotating mechanical switches (commutators). Various character codes using 5, 6, 7, or 8 data bits became common in teleprinters and later as computer peripherals. The teletypewriter made an excellent general purpose I/O device for a small computer. Gordon Bell of DEC designed the first UART, occupying an entire circuit board called a line unit, for the PDP series of computers beginning with the PDP 1. According to Bell, the main innovation of the UART was its use of sampling to convert the signal into the digital domain, allowing more reliable timing than previous circuits that used analog timing devices with manually adjusted potentiometers. To reduce the cost of wiring, backplane and other components, these computers also pioneered flow control using XON and XOFF characters rather than hardware wires. DEC condensed the line unit design into an early single chip UART for their own use. In the 1990s, newer UARTs were developed with on chip buffers. This allowed higher transmission speed without data loss and without requiring such frequent attention from the computer. For example, the popular National Semiconductor 16550 has a 16 byte FIFO, and spawned many variants, including the 16C550, 16C650, 16C750, and 16C850. Depending on the manufacturer, different terms are used to identify devices that perform the UART functions. Intel called their 8251 device a "Programmable Communication Interface". MOS Technology 6551 was known under the name "Asynchronous Communications Interface Adapter" (ACIA). The term "Serial Communications Interface" (SCI) was first used at Motorola around 1975 to refer to their start stop asynchronous serial interface device, which others were calling a UART. Zilog manufactured a number of Serial Communication Controllers or SCCs. Starting in the 2000s, most IBM PC compatible computers removed their external RS 232 COM ports and used USB ports that can send data faster. For users who still need RS 232 serial ports, external USB to UART bridges are now commonly used. They combine the hardware cables and a chip to do the USB and UART conversion. Cypress Semiconductor and FTDI are two of the significant commercial suppliers of these chips. Although RS 232 ports are no longer available to users on the outside of most computers, many internal processors and microprocessors have UARTs built into their chips to give hardware designers the ability to interface with other chips or devices that use RS 232 or RS 485 for communication.

Ошибка перехода

Ошибка переполнения возникает, когда приемник не успевает обработать принятый символ до поступления следующего. Различные устройства имеют разный объем буферной памяти для хранения принятых символов. Процессор или контроллер DMA должны обслуживать UART для извлечения символов из входного буфера. Если процессор или контроллер DMA не обслуживают UART достаточно быстро и буфер заполняется, возникает ошибка переполнения, и входящие символы теряются.

Ошибка недопостижения

Ошибка недополнения возникает, когда передатчик UART завершил передачу символа и буфер передачи опустел. В асинхронных режимах это интерпретируется как признак отсутствия данных для передачи, а не как ошибка, поскольку могут быть добавлены дополнительные стоповые биты. Данный индикатор ошибки часто встречается в USART, так как недополнение более критично в синхронных системах.

Ошибка вставки

UART обнаружит ошибку в кадре, когда не обнаружит "стоп"-бит в ожидаемое время его появления. Поскольку "старт"-бит используется для определения начала входящего символа, его временные характеристики служат ориентиром для остальных бит. Если линия данных не находится в ожидаемом состоянии (высоком уровне) в момент, когда ожидается "стоп"-бит (в соответствии с количеством бит данных и бита четности, для которых настроен UART), UART сообщит об ошибке в кадре. Состояние "разрыва" (break) на линии также будет зарегистрировано как ошибка в кадре.

Ошибка паритета

Ошибка паритета возникает, когда чётность количества единичных битов не совпадает с чётностью, заданной битом паритета. Проверка паритета часто используется для обнаружения ошибок при передаче данных. Использование бита паритета является необязательным, поэтому эта ошибка возникнет только в том случае, если проверка паритета включена.

Условия разрыва

Условие прерывания возникает, когда вход приемника находится на уровне "пробел" (логический низкий, то есть '0') в течение времени, превышающего определенную продолжительность, обычно больше, чем время одного символа. Это не обязательно является ошибкой, но воспринимается приемником как символ, состоящий из нулевых битов, с ошибкой кадрирования. Термин "прерывание" происходит от сигнализации по токовому контуру, которая традиционно использовалась в телетайпах. Состояние "пробел" в линии токового контура обозначается отсутствием тока, а очень длительное отсутствие тока часто вызвано разрывом или другой неисправностью линии. Некоторые устройства намеренно передают уровень "пробел" дольше, чем один символ, в качестве сигнала внимания. При несовпадении скоростей передачи сигналов отправка осмысленных символов невозможна, но длительный сигнал "прерывания" может быть полезным способом привлечь внимание несогласованного приемника для выполнения какого-либо действия (например, самоперезагрузки). Компьютерные системы могут использовать длительный уровень "прерывания" в качестве запроса на изменение скорости передачи сигналов для поддержки доступа по коммутируемой линии с различными скоростями. Протокол DMX512 использует условие прерывания для сигнализации начала нового пакета.

Модели UART

Двойной UART, или DUART, объединяет два UART в один чип. Аналогичным образом, четырехкратный UART или QUART объединяет четыре UART в один пакет, например NXP 28L194. Октальный UART или OCTART объединяет восемь UART в один пакет, например Exar XR16L788 или NXP SCC2698. Модель Описание WD1402A Первый однокристальный UART, поступивший в свободную продажу. Представлен примерно в 1971 году. Совместимыми чипами были Fairchild TR1402A и General Instruments AY 5 1013. Exar XR21V1410 Intersil 6402 CDP 1854 (RCA, ныне Intersil) Zilog Z8440 Универсальный синхронный и асинхронный приемопередатчик (USART). 2000 кбит/с. Асинхронный, Bisync, SDLC, HDLC, X.25. CRC. 4-байтовый буфер RX. 2-байтовый буфер TX. Предоставляет сигналы, необходимые стороннему контроллеру DMA для выполнения передач DMA. Z8530/Z85C30 Этот USART имеет 3-байтовый буфер приема и 1-байтовый буфер передачи. Он имеет аппаратную поддержку для ускорения обработки HDLC и SDLC. CMOS-версия (Z85C30) предоставляет сигналы, позволяющие стороннему контроллеру DMA выполнять передачи DMA. Он поддерживает асинхронную, синхронную на байтовом уровне и синхронную на битовом уровне связь. 8250 Устарел, имеет 1-байтовые буферы. Максимальная стандартная скорость последовательного порта для этих UART составляет 9600 бит/с, если задержка прерывания в операционной системе составляет 1 мс. UART 8250 использовались в IBM PC 5150 и IBM PC/XT, а UART 16450 – в компьютерах серии IBM PC/AT. 8251 имеет функциональность USART. 8251 Motorola 6850 6551 Rockwell 65C52 16450 82510 Этот UART поддерживает асинхронную работу со скоростью до 288 кбит/с, с двумя независимыми четырехбайтовыми FIFO. Производился Intel как минимум с 1993 по 1996 год, а Innovastic Semiconductor имеет спецификацию IA82510 от 2011 года. 16550 FIFO этого UART неисправен, поэтому он не может безопасно работать быстрее, чем UART 16450. Версии 16550A и более поздние исправляют эту ошибку. 16550A Этот UART имеет 16-байтовые буферы FIFO. Уровни триггера прерывания приема можно установить на 1, 4, 8 или 14 символов. Максимальная стандартная скорость последовательного порта, если задержка прерывания в операционной системе составляет 1 мс, составляет 128 кбит/с. Системы с меньшей задержкой прерывания или с контроллерами DMA могут обрабатывать более высокие скорости передачи данных. Этот чип может предоставлять сигналы, необходимые для выполнения передач DMA в UART и из UART контроллером DMA, если включен режим DMA, который вводит этот UART. Он был представлен компанией National Semiconductor, которая была продана Texas Instruments. National Semiconductor утверждала, что этот UART может работать со скоростью до 1,5 Мбит/с. 16C552 16650 Этот UART был представлен компанией Startech Semiconductor, которая в настоящее время принадлежит Exar Corporation и не связана с Startech.com. Ранние версии имеют неисправный буфер FIFO и поэтому не могут безопасно работать быстрее, чем UART 16450. Рабочие версии этого UART имеют 32-символьные буферы FIFO и могут функционировать на стандартных скоростях последовательного порта до 230,4 кбит/с, если задержка прерывания в операционной системе составляет 1 мс. Текущие версии этого UART от Exar утверждают, что могут обрабатывать до 1,5 Мбит/с. Этот UART вводит функции Auto RTS и Auto CTS, в которых сигнал RTS# управляется UART для сигнализации внешнему устройству о прекращении передачи, когда буфер UART заполнен до или за установленную пользователем точку срабатывания, и прекращении передачи на устройство, когда устройство устанавливает сигнал CTS# в высокий уровень (логический 0). 16750 64-байтовые буферы. Этот UART может обрабатывать максимальную стандартную скорость последовательного порта 460,8 кбит/с, если максимальная задержка прерывания составляет 1 мс. Этот UART был представлен компанией Texas Instruments. TI утверждает, что ранние модели могут работать до 1 Мбит/с, а более поздние модели этой серии – до 3 Мбит/с. 16850 128-байтовые буферы. Этот UART может обрабатывать максимальную стандартную скорость последовательного порта 921,6 кбит/с, если максимальная задержка прерывания составляет 1 мс. Этот UART был представлен компанией Exar Corporation. Exar утверждает, что ранние версии могут работать до 2 Мбит/с, а более поздние версии – до 2,25 Мбит/с в зависимости от даты производства. 16C850 16950 128-байтовые буферы. Этот UART может обрабатывать максимальную стандартную скорость последовательного порта 921,6 кбит/с, если максимальная задержка прерывания составляет 1 мс. Этот UART поддерживает 9-битные символы в дополнение к 5–8-битным символам, поддерживаемым другими UART. Он был представлен компанией Oxford Semiconductor, которая теперь принадлежит PLX Technology. Oxford/PLX утверждает, что этот UART может работать до 15 Мбит/с. Варианты PCI Express от Oxford/PLX интегрированы с контроллером PCIe DMA, выполняющим прямое управление шиной. Этот контроллер DMA использует сигналы режима DMA UART, определенные для 16550. Контроллеру DMA требуется, чтобы ЦП настроил каждую транзакцию и опрашивал регистр состояния после начала транзакции, чтобы определить, завершена ли транзакция. Каждая транзакция DMA может передавать от 1 до 128 байт между буфером памяти и UART. Варианты PCI Express также могут позволить ЦП передавать данные между собой и UART с помощью передач 8, 16 или 32 бит при использовании программируемого ввода/вывода. 16C950 16954 Четырехпортовая версия 16950/16C950. 128-байтовые буферы. Этот UART может обрабатывать максимальную стандартную скорость последовательного порта 921,6 кбит/с, если максимальная задержка прерывания составляет 1 мс. Этот UART поддерживает 9-битные символы в дополнение к 5–8-битным символам, поддерживаемым другими UART. Он был представлен компанией Oxford Semiconductor, которая теперь принадлежит PLX Technology. Oxford/PLX утверждает, что этот UART может работать до 15 Мбит/с. Варианты PCI Express от Oxford/PLX интегрированы с контроллером PCIe DMA, выполняющим прямое управление шиной. Этот контроллер DMA управляется сигналами режима DMA UART, определенными для 16550. Контроллеру DMA требуется, чтобы ЦП настроил каждую транзакцию и опрашивал регистр состояния после начала транзакции, чтобы определить, завершена ли транзакция. Каждая транзакция DMA может передавать от 1 до 128 байт между буфером памяти и UART. Варианты PCI Express также могут позволить ЦП передавать данные между собой и UART с помощью передач 8, 16 или 32 бит при использовании программируемого ввода/вывода. 16C1550/16C1551 UART с 16-байтовыми буферами FIFO. До 1,5 Мбит/с. ST16C155X не совместим со стандартным отраслевым 16550 и не будет работать со стандартным драйвером последовательного порта в Microsoft Windows. 16C2450 Двойной UART с 1-байтовыми буферами FIFO. 16C2550 Двойной UART с 16-байтовыми буферами FIFO. Аппаратно и функционально совместим с 16C2450. Программно совместим с INS8250 и NS16C550. SCC2691 В настоящее время производится компанией NXP, 2691 – 2 порта. Предоставляет сигналы, необходимые стороннему контроллеру DMA для выполнения передач DMA. 4-байтовый буфер для отправки, 8-байтовый буфер для приема на канал. Режимы SDLC/HDLC. 5 Мбит/с в синхронном режиме. Hayes ESP 1 КБ буферов, 921,6 кбит/с, 8 портов. Exar XR17V352, XR17V354 и XR17V358 Двойные, четырехкратные и восьмикратные UART PCI Express с набором регистров, совместимым с 16550, 256-байтовыми FIFO TX и RX, программируемыми уровнями триггера TX и RX, счетчиками уровней FIFO TX/RX, генератором дробной скорости передачи данных, автоматическим аппаратным управлением потоком RTS/CTS или DTR/DSR с программируемым гистерезисом, автоматическим программным управлением потоком Xon/Xoff, выходом управления полудуплексным режимом RS 485 с программируемой задержкой переключения, мульти-дропом с автоматическим обнаружением адреса, инфракрасным (IrDA 1.1) кодировщиком/декодером данных. Указаны до 25 Мбит/с. Спецификации датированы 2012 годом. Exar XR17D152, XR17D154 и XR17D158 Двойные, четырехкратные и восьмикратные UART шины PCI с 5G-совместимым набором регистров 16C550, 64-байтовыми буферами передачи и приема, счетчиками уровней FIFO передачи и приема, программируемым уровнем триггера FIFO TX и RX, автоматическим управлением потоком RTS/CTS или DTR/DSR, автоматическим программным управлением потоком Xon/Xoff, выходом управления RS485 HDX с выбираемой задержкой переключения, инфракрасным (IrDA 1.0) кодировщиком/декодером данных, программируемой скоростью передачи данных с делителем частоты, скоростью передачи последовательных данных до 6,25 Мбит/с. Спецификации датированы 2004 и 2005 годами. Exar XR17C152, XR17C154 и XR17C158 Двойные, четырехкратные и восьмикратные 5-вольтовые UART шины PCI с совместимыми регистрами 16C550, 64-байтовыми буферами передачи...

A dual UART, or DUART, combines two UARTs into a single chip. Similarly, a quadruple UART or QUART, combines four UARTs into one package, such as the NXP 28L194. An octal UART or OCTART combines eight UARTs into one package, such as the Exar XR16L788 or the NXP SCC2698. Model Description WD1402A The first single chip UART on general sale. Introduced about 1971. Compatible chips included the Fairchild TR1402A and the General Instruments AY 5 1013. Exar XR21V1410 Intersil 6402 CDP 1854 (RCA, now Intersil) Zilog Z8440 Universal synchronous and asynchronous receiver transmitter (USART). 2000 kbit/s. Async, Bisync, SDLC, HDLC, X.25. CRC. 4 byte RX buffer. 2 byte TX buffer. Provides signals needed by a third party DMA controller to perform DMA transfers. Z8530/Z85C30 This USART has a 3 byte receive buffer and a 1 byte transmit buffer. It has hardware to accelerate the processing of HDLC and SDLC. The CMOS version (Z85C30) provides signals to allow a third party DMA controller to perform DMA transfers. It can do asynchronous, byte level synchronous, and bit level synchronous communications. 8250 Obsolete with 1 byte buffers. These UARTs' maximum standard serial port speed is 9600 bits per second if the operating system has a 1 millisecond interrupt latency. 8250 UARTs were used in the IBM PC 5150 and IBM PC/XT, while the 16450 UART were used in IBM PC/AT series computers. The 8251 has USART capability. 8251 Motorola 6850 6551 Rockwell 65C52 16450 82510 This UART allows asynchronous operation up to 288 kbit/s, with two independent four byte FIFOs. It was produced by Intel at least from 1993 to 1996, and Innovastic Semiconductor has a 2011 Data Sheet for IA82510. 16550 This UART's FIFO is broken, so it cannot safely run any faster than the 16450 UART. The 16550A and later versions fix this bug. 16550A This UART has 16 byte FIFO buffers. Its receive interrupt trigger levels can be set to 1, 4, 8, or 14 characters. Its maximum standard serial port speed if the operating system has a 1 millisecond interrupt latency is 128 kbit/s. Systems with lower interrupt latencies or with DMA controllers could handle higher baud rates. This chip can provide signals that are needed to allow a DMA controller to perform DMA transfers to and from the UART if the DMA mode this UART introduces is enabled. It was introduced by National Semiconductor, which has been sold to Texas Instruments. National Semiconductor claimed that this UART could run at up to 1.5 Mbit/s. 16C552 16650 This UART was introduced by Startech Semiconductor which is now owned by Exar Corporation and is not related to Startech. com. Early versions have a broken FIFO buffer and therefore cannot safely run any faster than the 16450 UART. Versions of this UART that were not broken have 32 character FIFO buffers and could function at standard serial port speeds up to 230.4 kbit/s if the operating system has a 1 millisecond interrupt latency. Current versions of this UART by Exar claim to be able to handle up to 1.5 Mbit/s. This UART introduces the Auto RTS and Auto CTS features in which the RTS# signal is controlled by the UART to signal the external device to stop transmitting when the UART's buffer is full to or beyond a user set trigger point and to stop transmitting to the device when the device drives the CTS# signal high (logic 0). 16750 64 byte buffers. This UART can handle a maximum standard serial port speed of 460.8 kbit/s if the maximum interrupt latency is 1 millisecond. This UART was introduced by Texas Instruments. TI claims that early models can run up to 1 Mbit/s, and later models in this series can run up to 3 Mbit/s. 16850 128 byte buffers. This UART can handle a maximum standard serial port speed of 921.6 kbit/s if the maximum interrupt latency is 1 millisecond. This UART was introduced by Exar Corporation. Exar claims that early versions can run up to 2 Mbit/s, and later versions can run up to 2.25 Mbit/s depending on the date of manufacture. 16C850 16950128 byte buffers. This UART can handle a maximum standard serial port speed of 921.6 kbit/s if the maximum interrupt latency is 1 millisecond. This UART supports 9 bit characters in addition to the 5 to 8 bit characters that other UARTs support. This was introduced by Oxford Semiconductor, which is now owned by PLX Technology. Oxford/PLX claims that this UART can run up to 15 Mbit/s. PCI Express variants by Oxford/PLX are integrated with a first party bus mastering PCIe DMA controller. This DMA controller uses the UART's DMA mode signals that were defined for the 16550. The DMA controller requires the CPU to set up each transaction and poll a status register after the transaction is started to determine if the transaction is done. Each DMA transaction can transfer between 1 and 128 bytes between a memory buffer and the UART. PCI Express variants can also allow the CPU to transfer data between itself and the UART with 8 , 16 , or 32 bit transfers when using programmed I/O. 16C950 16954Quad port version of the 16950/16C950. 128 byte buffers. This UART can handle a maximum standard serial port speed of 921.6 kbit/s if the maximum interrupt latency is 1 millisecond. This UART supports 9 bit characters in addition to the 5–8 bit characters that other UARTs support. This was introduced by Oxford Semiconductor, which is now owned by PLX Technology. Oxford/PLX claims that this UART can run up to 15 Mbit/s. PCI Express variants by Oxford/PLX are integrated with a first party bus mastering PCIe DMA controller. This DMA controller is controlled by the UART's DMA mode signals that were defined for the 16550. The DMA controller requires the CPU to set up each transaction and poll a status register after the transaction is started to determine if the transaction is done. Each DMA transaction can transfer between 1 and 128 bytes between a memory buffer and the UART. PCI Express variants can also allow the CPU to transfer data between itself and the UART with 8 , 16 , or 32 bit transfers when using programmed I/O. 16C954 16C1550/16C1551UART with 16 byte FIFO buffers. Up to 1.5 Mbit/s. The ST16C155X is not compatible with the industry standard 16550 and will not work with the standard serial port driver in Microsoft Windows. 16C2450Dual UART with 1 byte FIFO buffers. 16C2550Dual UART with 16 byte FIFO buffers. Pin to pin and functional compatible to 16C2450. Software compatible with INS8250 and NS16C550. SCC2691Currently produced by NXP, the 2691 2 ports. Provides signals needed by a third party DMA controller needed to perform DMA transfers. 4 byte buffer to send, 8 byte buffer to receive per channel. SDLC/HDLC modes. 5 Mbit/s in synchronous mode. Hayes ESP 1 KB buffers, 921.6 kbit/s, 8 ports. Exar XR17V352, XR17V354 and XR17V358 Dual, Quad and Octal PCI Express UARTs with 16550 compatible register Set, 256 byte TX and RX FIFOs, Programmable TX and RX Trigger Levels, TX/RX FIFO Level Counters, Fractional baud rate generator, Automatic RTS/CTS or DTR/DSR hardware flow control with programmable hysteresis, Automatic Xon/Xoff software flow control, RS 485 half duplex direction control output with programmable turn around delay, Multi drop with Auto Address Detection, Infrared (IrDA 1.1) data encoder/decoder. They are specified up to 25 Mbit/s. DataSheets are dated from 2012. Exar XR17D152, XR17D154 and XR17D158 Dual, Quad and Octal PCI bus UARTs with 16C550 Compatible 5G Register Set, 64 byte Transmit and Receive FIFOs, Transmit and Receive FIFO Level Counters, Programmable TX and RX FIFO Trigger Level, Automatic RTS/CTS or DTR/DSR Flow Control, Automatic Xon/Xoff Software Flow Control, RS485 HDX Control Output with Selectable Turn around Delay, Infrared (IrDA 1.0) Data Encoder/Decoder, Programmable Data Rate with Prescaler, Up to 6.25 Mbit/s Serial Data Rate. DataSheets are dated from 2004 and 2005. Exar XR17C152, XR17C154 and XR17C158 Dual, Quad and Octal 5 V PCI bus UARTs with 16C550 Compatible Registers, 64 byte Transmit and Receive FIFOs, Transmit and Receive FIFO Level Counters, Automatic RTS/CTS or DTR/DSR Flow Control, Automatic Xon/Xoff Software Flow Control, RS485 Half duplex Control with Selectable Delay, Infrared (IrDA 1.0) Data Encoder/Decoder, Programmable Data Rate with Prescaler, Up to 6.25 Mbit/s Serial Data Rate. DataSheets are dated from 2004 and 2005. Exar XR17V252, XR17V254 and XR17V258 Dual, Quad and Octal 66 MHz PCI bus UARTs with Power Management Support, 16C550 compatible register set, 64 byte TX and RX FIFOs with level counters and programmable trigger levels, Fractional baud rate generator, Automatic RTS/CTS or DTR/DSR hardware flow control with programmable hysteresis, Automatic Xon/Xoff software flow control, RS 485 half duplex direction control output with selectable turn around delay, Infrared (IrDA 1.0) data encoder/decoder, Programmable data rate with prescaler. DataSheets are dated from 2008 and 2010.

UART в модемах

Модемы для персональных компьютеров, подключаемые к слоту на материнской плате, также должны включать функцию UART на плате. Оригинальный чип 8250 UART, поставлявшийся с персональным компьютером IBM, имел буфер всего в один символ для приемника и передатчика, что приводило к плохой работе коммуникационного программного обеспечения на скоростях выше 9600 бит/с, особенно при работе в многозадачной системе или при обработке прерываний от дисковых контроллеров. Высокоскоростные модемы использовали UART, совместимые с оригинальным чипом, но включавшие дополнительные FIFO-буферы, что давало программному обеспечению больше времени для обработки входящих данных. Анализ требований к производительности при высоких битовых скоростях показывает, почему FIFO объемом 16, 32, 64 или 128 байт является необходимостью. Спецификация Microsoft для системы DOS требует, чтобы прерывания не отключались более чем на 1 миллисекунду. Некоторые жесткие диски и видеоконтроллеры нарушают это требование. Скорость 9600 бит/с обеспечивает получение символа примерно каждую миллисекунду, поэтому FIFO объемом 1 байт должен быть достаточным при этой скорости в системе DOS, соответствующей максимальному времени отключения прерываний. При более высоких скоростях может быть получен новый символ до того, как старый будет обработан, что приведет к потере старого символа. Это называется ошибкой переполнения и приводит к потере одного или нескольких символов. FIFO объемом 16 байт позволяет принять до 16 символов, прежде чем компьютер должен обработать прерывание. Это увеличивает максимальную скорость, которую компьютер может надежно обрабатывать, с 9600 до 153 000 бит/с при времени простоя прерывания в 1 миллисекунду. FIFO объемом 32 байта увеличивает максимальную скорость до более чем 300 000 бит/с. Второе преимущество FIFO заключается в том, что компьютеру требуется обрабатывать лишь около 8–12% от количества прерываний, что освобождает больше времени процессора для обновления экрана или выполнения других задач. Таким образом, скорость реакции компьютера также улучшается.

Эмуляция

Поскольку протокол связи UART прост, его можно эмулировать, управляя GPIO-пинами побитово в программном обеспечении на современных микроконтроллерах (например, Arduino или Teensy), или на программируемых автоматах ввода-вывода (например, PIO Raspberry Pi Pico или FlexIO от NXP).