# Arduino講義：Keypad密碼鎖(Preview)
## Intoduction of UART
* **UART** 全文為 **Universal Asynchronous Receiver/Transmitter** ，即**通用非同步收發傳輸器**。
* 通用非同步收發傳輸器是一種[異步收發傳輸器](https://en.wikipedia.org/wiki/Asynchronous_serial_communication)
* 將資料由串列傳輸 (Serial communication) 與平行傳輸 (Parallel communication) 間作傳輸轉換。
* **單工、半雙工與全雙工**

| 單工 | 半雙工 | 全雙工 |
| -------- | -------- | -------- |
|| ||
|只支持信號在一個方向上傳輸(正向或反向)，任何時候不能改變訊號的方向。 EX:計算機和印表機之間的通信、B.B.Call。 | 允許信號在兩個方向上傳輸，但同一時間只允許信號在一個信道上單向傳輸。EX:傳統的對講機。 |允許數據同時在兩個方向上傳輸，即有兩個信道，因此允許同時進行雙向傳輸。 EX:電話、手機、RS232。 |
* 原文網址：https://kknews.cc/zh-tw/other/y2av3rj.html
* **串列 v.s 並列**
* 串列
* 一次傳送一個 bit，傳輸速率較慢、成本較低、可遠距離傳輸。
* EX :滑鼠、鍵盤、電腦網路傳輸、RS-232 介面。
* 並列
* 一次傳送多個 bit，傳輸速率快、成本高、僅限短距離使用。
* EX :25Pin D-Type印表機。

* 注意:並列傳輸的線路較多，但傳輸速度不一定比較快(因為接收端要同時將傳進來的資料整合及排列，虛耗額外的位元及處理時間)
* **非同步 (Asynchronous) v.s 同步 (Synchronous)**
* 非同步

* 雙方有各自的時脈， 在傳送資料時插入額外資訊，表示資料起始、結束。優點是設定時間短、硬體成本低、機器時脈不同也能傳資料，缺點是單次傳輸的資料量較少。
* EX : RS-232 (實現方式簡單低廉)、 RS-422 (較長距離的傳輸)、RS-485 (較多的裝置連接數目)。
* 同步

* 雙方共用時脈(一次只做一件事)，額外提供時脈訊號，使兩端機器在溝通時能夠藉此同步收發資料。比起非同步傳輸，同步傳輸不需要 start/stop bit ，因此能夠一次傳較多的資料。
* EX : I2C 、 SPI 。
* **UART**
* 全雙工
* 串列
* 非同步
* 由2個獨立的接收 (RX) 、發送 (TX) 緩衝器構成，可同時發送和接收資料。
* 若 baud 為 9600 (bits/sec)，表示每秒可以傳 960 Bytes 的資料量。
* UART 傳送1 Byte (=8 bits)資料，加上頭尾共為10 bits。

$$\frac{9600(bits)}{startbit(1 bits)+data(8 bits)+stop bit(1 bits)}= 960Bytes$$

[參考資料](https://zh.wikipedia.org/wiki/%E6%B3%A2%E7%89%B9%E7%8E%87)

## UART Protocol
* 每個符號由三種資料共10個位元所組成，共分為：
1. 起始位元 (Start Bit)
2. 資料內容 (Data)
3. 停止位元 (Stop Bit)
* 每個資料在傳送前都會有一個低電位的起始位 (start bit) ；資料傳完之後會接著一組停止位元 (stop bit)。
* 因此，若假設資料長度為 8bits，加上頭尾，每傳 1byte 至少需要 10bits。
:::info
在起始位 (start bit) 期間，資料發送端 (TX) 處於低電位；在停止位 (stop bit) 期間，資料發送端 (TX) 處於高電位。
:::
* [UART歷史](http://makerpro.cc/2016/04/understand-what-is-uart/)
* USART_BaudRate:

* **Baud** 指的是有效數據信號調製載波的速率，**1鮑即指每秒傳輸1個符號**，而通過不同的調製方式，可以在一個碼元符號上負載多個bit位信息。
* Asynchronous Normal Mode: $$Baud = \frac{f_{osc}}{16\times (UBRRn+1) }$$
$$UBRR = \frac{f_{OSC}}{16\times baud } – 1$$
* **Baud(bits/sec)** ： Baud rate
* **f~OSC~** ： System oscillator clock frequency
* **UBRRn** ： Contents of the UBRRnH and UBRRnL Registers(用來設定 Baud Rate )。

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## UART register description
* **Receive buffer** : 只能讀出不能寫入。
* **Transmitter buffer** :只能寫入不能讀出。
* **Interrupt Enable Register** : CPU寫入暫存器告訴UART何時中斷。
### UCSR0A(USART Control and Status Register 0 A)
* 它是一個暫存器，用於指示串行通信的控制和狀態。
* **RXC0** ( USART Receive Complete ) : 當**接收緩衝區**中存在未讀取的數據時，旗標設為1。用來知道何時能收到一個位元組。
* **TXC0**( USART Transmit Complete ) : 當**發送緩衝區**中發送數據時，**TXC0**（ USART 發送完成 ）變為1。
* **UDRE0** ( USART Data Register Empty ) : 當數據可寫入**傳輸緩衝區**時，**UDRE0**（USART數據暫存器為空）變為1。
### UCSR0B(USART Control and Status Register 0 B)
* 它同樣是一個暫存器，用於指示串行通信的控制和狀態。
* **UCSR0B** 暫存器比較重要的是 **RXEN0** 和 **TXEN0**，這兩個位元用來啟用接收器 (receiver) 和發射器 (transmitter)，一般來說，我們會啟用這兩個元，可以用來開啟傳送、接收的位元。
* **UDRIE0** (USART Data Register Empty Interrupt Enable 0) : 決定要不要啟用中斷的位元。如果 **UDRIE0** 設置為 1，則允許UDRIE0標誌中斷。
### UDR0(USART I/O Data Register 0)
* 它是用來存放資料的暫存器。
* **TXB** 和 **RXB** 具有相同的 I/O address (共用UDR0)。
* 當寫入資料到 **UDR0** 時，資料會寫入**TXB register**。
* 當要讀取 **UDR0** 的內容時，實際上是從 **RXB register** 讀取內容。