通过先进的高性能UART提高串行I/O的连接性能

文章摘要：市场融合正在推动对开发新接口的需求，但这也在影响已有接口类型的性能和特性。在目前已有的接口类型中，最常见的是广泛用作标准串行连接的通用异步收发器(UART)。UART可以用做主处理器(如微控制器或嵌入式处理器)和外设之间的通讯接口。在从工业控制到智能手机的大量应用中，这些独立的解决方案变得越来越有吸引力。UART是在特定模块(如蓝牙、GPS、RFID、多端口以太网服务器)和主处理器或芯片组之间进行通讯的首选接口。因为无论从应用端还是从软件驱动端来看，UART都是一个软件开销最小和复杂性最低的高效接口。尽管UART的发展趋势是更多地集成在处理器或者芯片组中，但这里也存在一个折衷，那些关键芯片需要

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　　市场融合正在推动对开发新接口的需求，但这也在影响已有接口类型的性能和特性。在目前已有的接口类型中，最常见的是广泛用作标准串行连接的通用异步收发器(UART)。UART可以用做主处理器(如微控制器或嵌入式处理器)和外设之间的通讯接口。在从工业控制到智能手机的大量应用中，这些独立的解决方案变得越来越有吸引力。

　　UART是在特定模块(如蓝牙、GPS、RFID、多端口以太网服务器)和主处理器或芯片组之间进行通讯的首选接口。因为无论从应用端还是从软件驱动端来看，UART都是一个软件开销最小和复杂性最低的高效接口。尽管UART的发展趋势是更多地集成在处理器或者芯片组中，但这里也存在一个折衷，那些关键芯片需要平衡芯片的面积/成本和性能以及外设选择之间的关系，这意味着处理器和芯片缺乏端口的情况将继续存在。因此，一些特定系统将受益于不同外形尺寸的独立UART。

　　包括工艺、芯片组、连接技术和外围设备在内的数个市场的发展推动了对新一代高性能UART的需求。连接技术和外围设备的发展趋势决定了市场对具有灵活主机接口的高速UART的需求，这些UART工作在低电压下，功耗很低，可以提供较高的数据速率以满足蓝牙EDR等新连接标准的要求。

　　新一代系统采用高端处理器，可以在较短时间里处理大量的任务。这些处理器的工作电压分别是3.3V、2.5V或1.8V。因此，甚至如UART这样的基本接口都必须精心设计，以进一步降低CPU开销。为构造高性能的UART，必须考虑以下特性指标：主机接口的性能、UART的FIFO的深度、波特率、电源电压和功耗。低分辨率时钟预定标器、自动支持RS485和先进的封装技术等其它性能也能给某些特定设计带来显著好处。

　　主机接口和处理时间

　　UART可以通过并行或串行总线与主机连接。通常许多独立的UART提供两种类型的8位异步存储接口，兼容大多数的摩托罗拉(Motorola)和英特尔(Intel)总线接口。有些UART同时具有两个接口，如恩智浦半导体(NXP Semiconductors)的SC28Lxx和1.8V SC16C85x UART系列。通过配制引脚，这个独立的UART可以被设置成支持Motorola或者Intel的总线接口。在许多手持设备中，一种被称为VLIO (可变延迟I/O)的新型接口也得到了采用，此外新一代1.8V UART将被设计成可以与总线无缝连接(图1)。

　　图1：具有VLIO(可变延迟I/O)接口的1.8V UART的移动应用示例。

　　并行总线接口的优点是具有很高的吞吐量，而速度可高达100 Mbps，但缺点是需要大约15根线与处理器连接。为克服这个缺点，或者说是消除对并行总线的依赖性，可以选择如SPI或I2C的标准串行总线与主机相连。当今流行的解决方案是NXP SC16IS7xx系列，这些产品通过I2C或SPI端口实现与主机的无缝连接，并将与主机连接的15根线减少到5根(I2C)和7根(SPI)，如图2所示。这个串行UART还有其它一些优点，例如它能为设计工程师提供现成的I2C或SPI到RS232/RS485/IrDa的协议转换器，但缺点是串行总线的速度被限制在400 Kbps(I2C)和15 Mbps (SPI)内。

　　图2：带有串行接口(I2C/SPI)的NXP SC16IS752高速UART的应用示例。

　　一旦选定了主机接口，最佳的主机处理时间取决于以下几个要素：UART的 FIFO深度和FIFO计数器、中断触发等级的数量、硬件和软件流程控制。

　　FIFO深度和FIFO计数器

　　UART的 FIFO深度直接影响通过UART传输数据所需的CPU开销。FIFO的深度越深，在每个中断就可以有更多数据传输，从而减少CPU的中断。一个标准的FIFO深度范围从16 到 6? 字节。但越来越多的设计要求具有更深FIFO的UART，而可提供具有高达128字节FIFO深度的独立方案的厂商也越来越多。如今市场上具有最深FIFO的UART是NXP公司的SC28L202 和SC28L201，它们的FIFO深度高达256字节。

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