UART是在特定模塊(如藍牙、GPS、RFID、多端口以太網服務器)和主處理器或芯片組之間進行通訊的首選接口。因為無論從應用端還是從軟件驅動端來看，UART都是一個軟件開銷最小和復雜性最低的高效接口。盡管UART的發展趨勢是更多地集成在處理器或者芯片組中，但這里也存在一個折衷，那些關鍵芯片需要平衡芯片的面積/成本和性能以及外設選擇之間的關系，這意味著處理器和芯片缺乏端口的情況將繼續存在。因此，一些特定系統將受益于不同外形尺寸的獨立UART。

　　包括工藝、芯片組、連接技術和外圍設備在內的數個市場的發展推動了對新一代高性能UART的需求。連接技術和外圍設備的發展趨勢決定了市場對具有靈活主機接口的高速UART的需求，這些UART工作在低電壓下，功耗很低，可以提供較高的數據速率以滿足藍牙EDR等新連接標準的要求。

　　新一代系統采用高端處理器，可以在較短時間里處理大量的任務。這些處理器的工作電壓分別是3.3V、2.5V或1.8V。因此，甚至如UART這樣的基本接口都必須精心設計，以進一步降低CPU開銷。為構造高性能的UART，必須考慮以下特性指標：主機接口的性能、UART的FIFO的深度、波特率、電源電壓和功耗。低分辨率時鐘預定標器、自動支持RS485和先進的封裝技術等其它性能也能給某些特定設計帶來顯著好處。

　　主機接口和處理時間

　　UART可以通過并行或串行總線與主機連接。通常許多獨立的UART提供兩種類型的8位異步存儲接口，兼容大多數的摩托羅拉(Motorola)和英特爾(Intel)總線接口。有些UART同時具有兩個接口，如恩智浦半導體(NXP Semiconductors)的SC28Lxx和1.8V SC16C85x UART系列。通過配制引腳，這個獨立的UART可以被設置成支持Motorola或者Intel的總線接口。在許多手持設備中，一種被稱為VLIO (可變延遲I/O)的新型接口也得到了采用，此外新一代1.8V UART將被設計成可以與總線無縫連接(圖1)。

　　圖1：具有VLIO(可變延遲I/O)接口的1.8V UART的移動應用示例。

　　并行總線接口的優點是具有很高的吞吐量，而速度可高達100 Mbps，但缺點是需要大約15根線與處理器連接。為克服這個缺點，或者說是消除對并行總線的依賴性，可以選擇如SPI或I2C的標準串行總線與主機相連。當今流行的解決方案是NXP SC16IS7xx系列，這些產品通過I2C或SPI端口實現與主機的無縫連接，并將與主機連接的15根線減少到5根(I2C)和7根(SPI)，如圖2所示。這個串行UART還有其它一些優點，例如它能為設計工程師提供現成的I2C或SPI到RS232/RS485/IrDa的協議轉換器，但缺點是串行總線的速度被限制在400 Kbps(I2C)和15 Mbps (SPI)內。

　　圖2：帶有串行接口(I2C/SPI)的NXP SC16IS752高速UART的應用示例。

　　一旦選定了主機接口，最佳的主機處理時間取決于以下幾個要素：UART的 FIFO深度和FIFO計數器、中斷觸發等級的數量、硬件和軟件流程控制。

　　FIFO深度和FIFO計數器

　　UART的 FIFO深度直接影響通過UART傳輸數據所需的CPU開銷。FIFO的深度越深，在每個中斷就可以有更多數據傳輸，從而減少CPU的中斷。一個標準的FIFO深度范圍從16 到 6? 字節。但越來越多的設計要求具有更深FIFO的UART，而可提供具有高達128字節FIFO深度的獨立方案的廠商也越來越多。如今市場上具有最深FIFO的UART是NXP公司的SC28L202 和SC28L201，它們的FIFO深度高達256字節。

　　下面例子說明了更深FIFO的優點。假設UART的傳輸速率設置為115.2Kbps，并且字符格式為1個開始位、8個數據位和一個停止位，即有10位字符和115.2 Kbps波特率，那么UART接收一個完整的字符需要86.8 ?s時間。如果UART接收器的FIFO是16字節，那么它需要大約1.39ms(16×86.8 ?s)去填滿一個接收器FIFO。這時，UART將對主機產生一個接收數據就緒中斷，并且主機必須立刻去讀取這個接收器FIFO中的數據，否則如果這個UART收到另外的字符，這個接收器FIFO中的數據將會溢出。有了上面的設置，在整個接收過程中，主機將每隔1.39 ms就獲得一個來自UART的中斷。但如果這個UART的接收器FIFO的容量是128字節，那么UART中斷的間隔時間將為原先的8倍(128/16=8)，達到11.12 ms，主機處理UART任務的頻率也將從每1.39 ms一次降到每11.12 ms一次。主機處理器可以用節省下來的時間去處理其它任務。

　　在今天的許多應用中，系統需要去讀取UART上的線狀態寄存器(LSR)，以首先確認在接收FIFO上是否有數據。這要求CPU每次從接收FIFO讀取一個字符都要輪詢LSR，這將顯著增加CPU的處理時間。只有少數的獨立的UART，比如NXP SC28L202 和 SC16C85x，擁有FIFO計數器，允許CPU在得到這些數據之前就找出在FIFO上的字符數量。這種方法使CPU不必每次都去讀取LSR，而是直接從接收FIFO讀取數據，從而進一步優化系統。

　　可編程的中斷觸發等級

　　在一些應用中，主機需要在固定時間內接收和響應固定長度的數據包。通過使用UART的中斷觸發等級，設計工程師可以對UART編程，使其在收到特定數量的字符以后，或者輸出特定數量的字符之后，發出一個中斷信號。目前的集成UART方案有許多預定義的觸發等級，比如1、4、8或者16。這種模式的缺點是，在接收到一個不是1、4、8 或者16字節的數據包以后，設計工程師難以對UART編程以產生中斷信號。NXP公司 SC16C850L/852L UART能夠提供127個中斷觸發等級，可以靈活地對UART編程，設計工程師可以在1到 127之間任意設置中斷觸發等級。

　　硬件和軟件流程控制提供兩個通訊UART之間的自動握手機制，將CPU從防止數據在UART FIFO中溢出的任務中解放出來。許多集成的UART并不具備這個功能，在處理器帶寬有限、沒有時間實現硬件或者軟件流程控制的場合，該功能非常關鍵。越來越多的獨立UART具備這個功能，這讓設計工程師可以進一步降低CPU的工作量。

　　如今對高速UART的需求越來越大。目前的連接解決方案，如藍牙，要求UART在低電壓下可以提供高達3Mbps的速度。有了新一代的獨立UART，系統可以快速處理和高速傳輸數據，同時在所有的UART信道里保持數據完整性。目前，大量的獨立UART可以在3.3V電壓下提供高達5 Mbps的數據速率，而新一代UART，比如NXP SC16C85x 系列，可以在1.8V的電壓下提供類似的波特率(圖3)。這些類型的UART在關鍵芯片組的性能和面市時間方面提供了重要的附加價值，同時克服了目前被廣泛用在集成解決方案中的1 Mbps UART的局限性。除了速度高之外，許多獨立UART還提供對接收機和發射機的運行速度進行獨立編程的能力，這使獨立UART在高速集群系統和橋接等應用中特別有吸引力。

　　UART的電源電壓、功率和封裝

　　隨著處理器和芯片組向低電源電壓方向發展，UART也需要支持這些新電壓，因此新一代UART已被開發為可工作在3.3V、2.5V和1.8V電壓下。為進一步降低功耗，新型的獨立UART提供低功耗模式功能，允許在空閑狀態下將功耗減少到微安級。

　　除了低功耗要求外，越來越多采用獨立UART的系統還希望UART具有盡可能小的外形尺寸。今天市場上最小的獨立UART由NXP公司推出，這些產品采用TFBGA封裝，面積為3.5×3.5 mm。

　　低分辨率時鐘預比例器和RS485功能

　　UART需要時鐘源來產生波特率。這個時鐘源可以由一個需要外接晶振的片上振蕩器產生，或者由一個外部振蕩器產生。為保證在使用固定頻率時鐘源時波特率可以被編程，大部分獨立UART使用一個整數除法器，允許UART用整數N(比如1、2、3…)除以時鐘源。整數除法器的局限是低整數值的波特率范圍較窄。一些較先進的高速UART(如NXP SC16C850L)采用有理數除法器，允許UART用分數除以時鐘源，從而提供更寬的波特率范圍。波特率根據BR=F/(N + m/16)來計算，式中的N為從1到65k范圍內的整數，m為從1到16范圍內的整數。使用有理數的好處是能擴大可編程的波特率范圍，使獲得更高性能和提高傳輸精度成為可能。

　　當兩個計算機系統以非常高的數據速率進行長距離通訊時，單端方法是不行的，因此RS485和它的微分信號被用來減少網絡中的噪音。RS485適用于多點通信系統，但針對大多數集成UART，設計工程師需要編寫復雜的軟件去支持RS485功能。

　　許多新一代的獨立UART被設計支持RS485，以減少運行在處理器上的軟件的復雜性。這些UART有一個內置的功能，無需處理器介入就能自動偵測到RS485的地址。這個功能顯著減少了CPU的處理時間，因為它消除了UART對CPU的不斷中斷請求。因為獨立UART支持自動的RS485地址偵測，所以主機處理器可以使UART自動偵測到自己的地址，并一旦完成偵測后就通知處理器。另外，RS485線驅動器方向也可以通過RTS(請求到發送)引腳自動控制，這是一個可以自動偵測高達32個(2線總線)和6?個(4線總線)從設備地址的9位模式(也稱多點模式)。

　　本文小結

　　處理器和芯片組的最近發展推動了與它們接口的外設的性能升級。最流行和最普遍的外設是UART。如今的發展趨勢展示，獨立UART已經發展成為高性能解決方案的一部分，將它們用在系統可以顯著降低CPU和相關芯片組的負荷。最新的獨立UART為設計工程師提供了高速、低功耗接口，以有效地支持了藍牙EDR等連接方案。新一代UART所具有的更多特性給設計者提供了增值的解決方案，這些方案在縮短面市時間的同時，還進一步優化了系統性能并提高了系統的靈活性。