UART(Universal Asynchronous Receiver/Transmitter，通用異步收發(fā)器)是一種常用的串行通信協(xié)議，廣泛應(yīng)用于單片機或各種嵌入式設(shè)備之間的通信。本文將詳細(xì)介紹UART通信的基本原理、工作模式、波特率計算以及常見使用方式，幫助有一定單片機開發(fā)能力的人群更好地理解和應(yīng)用UART通信。

一、UART通信的異步通信機制

UART通信是一種異步串行通信方式，其基本原理是通過數(shù)據(jù)線上傳輸二進(jìn)制數(shù)據(jù)位。UART通信系統(tǒng)主要由發(fā)送端和接收端兩部分組成，它們之間通過數(shù)據(jù)線進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。發(fā)送端將待發(fā)送的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為并行信號，然后通過驅(qū)動電路將并行信號轉(zhuǎn)換為串行信號，并通過發(fā)送電路將串行信號發(fā)送到數(shù)據(jù)線上。接收端則通過接收電路將數(shù)據(jù)線上的信號還原為并行信號，再通過解碼電路將并行信號轉(zhuǎn)換為原始數(shù)據(jù)位。

UART通信采用異步通信方式，即發(fā)送端和接收端之間通過數(shù)據(jù)線進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。在異步通信中，發(fā)送端和接收端不需要同時處于激活狀態(tài)，而是通過起始位和停止位來標(biāo)識數(shù)據(jù)幀的開始和結(jié)束。具體來說，當(dāng)發(fā)送端產(chǎn)生起始位后，發(fā)送一個數(shù)據(jù)位;然后等待接收端的起始位，如果接收到起始位，則繼續(xù)發(fā)送下一個數(shù)據(jù)位;如果沒有接收到起始位，則認(rèn)為數(shù)據(jù)幀傳輸失敗。同樣，當(dāng)接收端產(chǎn)生停止位后，發(fā)送一個校驗位;然后等待發(fā)送端的停止位，如果接收到停止位，則認(rèn)為數(shù)據(jù)幀傳輸成功。

二、UART的波特率

波特率表示單位時間內(nèi)通過線路傳輸?shù)亩M(jìn)制數(shù)據(jù)的位數(shù)，通常用bps(bits per second)表示。例如，如果波特率為9600bps，則每秒鐘可以傳輸9600個比特位的數(shù)據(jù)。

串口傳輸數(shù)據(jù)的波特率是單片機的時鐘系統(tǒng)來產(chǎn)生的，因此它和單片機的系統(tǒng)時鐘存在算式關(guān)系。

波特率= (16 * 時鐘頻率) / (32 * 采樣時間) + (1 * 時鐘頻率) / (32 * 采樣時間) - (1 * 時鐘頻率) / (64 * 采樣時間)

其中，采樣時間指從上一次起始位到本次起始位之間的時間間隔。例如，如果采樣時間為10ns，則波特率為9600bps。

常見的波特率有2400、4800、9600、19200、38400、57600、115200……它們都可是2400的整數(shù)倍，因此不同的波特率可以通過分頻器來產(chǎn)生。現(xiàn)在的單片機雖然都有著不同的頻率，常見的有32MHz、48MHz和144MHz，通常它們都會有一個外部系統(tǒng)時鐘為單片機的外圍設(shè)備提供基礎(chǔ)時鐘頻率(如1MHz)，UART產(chǎn)生波特率也是從該時鐘產(chǎn)生時鐘信號。

需要注意的是，在實際使用中，時鐘頻率可能會受到一些因素的影響，如晶振漂移、電源噪聲等。因此，為了保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)恼_性和可靠性，建議在設(shè)計UART通信系統(tǒng)時使用外部晶振或時鐘發(fā)生器，并對其進(jìn)行校準(zhǔn)和補償。

三、停止位和奇偶校驗

在UART異步通信中，停止位用于表示數(shù)據(jù)幀的結(jié)束。停止位可以是1個或2個比特位。當(dāng)停止位為1個比特位時，每個數(shù)據(jù)字節(jié)的后面都添加一個額外的時間間隔，以補償時鐘抖動和其他因素引起的誤差。例如，如果波特率為9600bps，則每個字節(jié)的時間間隔為4ms，因此每個停止位的時間間隔為4ms / 8 = 0.5ms。

當(dāng)停止位為2個比特位時，每個數(shù)據(jù)字節(jié)的后面都添加兩個額外的時間間隔，即每個字節(jié)的時間間隔為4ms / (8 + 4) = 0.3125ms。這種模式適用于需要更高精度的數(shù)據(jù)傳輸場景。

奇偶校驗是一種常用的錯誤檢測方法，可以檢測數(shù)據(jù)傳輸過程中的錯誤和丟失。在UART通信中，可以通過設(shè)置奇偶校驗位來提高數(shù)據(jù)傳輸?shù)恼_性和可靠性。

需要注意的是，奇偶校驗位只能檢測數(shù)據(jù)傳輸過程中的錯誤和丟失，而不能保證數(shù)據(jù)的完整性和正確性。因此，在使用UART通信時，還需要采取其他措施來確保數(shù)據(jù)傳輸?shù)恼_性和可靠性。

四、UART的輪詢收發(fā)和中斷收發(fā)

前面我們講過，UART通信就是把一個字節(jié)的數(shù)據(jù)拆分成若干bit位，然后一個bit一個bit的發(fā)送。當(dāng)一個字節(jié)的數(shù)據(jù)被送進(jìn)UART發(fā)送器后，這個字節(jié)被轉(zhuǎn)換成bit位，UART發(fā)送這個字節(jié)后還要產(chǎn)生停止位，此時UART發(fā)送器已經(jīng)空閑，可以繼續(xù)發(fā)送下一個字節(jié)。通常UART發(fā)送器發(fā)送完一個字節(jié)后會產(chǎn)生一個空閑狀態(tài)，輪詢式發(fā)送就是等待這個空閑狀態(tài)并發(fā)送下一個字節(jié)。UART接收也是如此，UART接收器收完一個字節(jié)并收到停止位信號時，就會向單片機的UART數(shù)據(jù)寄存器保存剛收到的數(shù)據(jù)，并產(chǎn)生一個收到標(biāo)志位，輪詢該標(biāo)志位就可以接收到該字節(jié)數(shù)據(jù)。

但是在單片機系統(tǒng)中經(jīng)常不止UART收發(fā)應(yīng)用，這時就要用到中斷收發(fā)。通常單片機的UART收發(fā)都有RX收到中斷和TX完畢中斷。中斷發(fā)送時，UART發(fā)送器是空閑狀態(tài)，此時往發(fā)送器里面寫入第一個字節(jié)，該字節(jié)傳輸完畢后產(chǎn)生TX完畢中斷，在TX完畢中斷的服務(wù)函數(shù)中再填入后續(xù)字節(jié)并產(chǎn)生下一個中斷，最后直到把需要傳輸?shù)淖止?jié)都傳完為止。中斷接收時，UART接收器收到字節(jié)后會產(chǎn)生RX收到中斷，在RX收到中斷服務(wù)函數(shù)中讀取收到的字節(jié)，每次中斷時都讀取收到的字節(jié)。

五、帶數(shù)據(jù)緩存的UART收發(fā)

在很多單片機系統(tǒng)中，都會提供UART Read和UART Write這樣的接口函數(shù)。一些高級的單片機甚至還有UART Read Callback和UART Write Callback這樣的回調(diào)函數(shù)來收發(fā)數(shù)據(jù)。通常很多單片機的數(shù)據(jù)處理能力相對UART通信來說要快得多，因此像采用上述接口函數(shù)的單片機系統(tǒng)都使用了數(shù)據(jù)緩存來輔助UART收發(fā)。常見的UART收發(fā)方式有這幾種：

數(shù)據(jù)隊列(Queue)收發(fā)：

這種方式適合大多數(shù)單片機，只要有中斷就行。使用UART Write發(fā)送數(shù)據(jù)時，數(shù)據(jù)并不是直接寫入到UART發(fā)送器，而是放進(jìn)了一個環(huán)形緩沖區(qū)中。然后在UART TX發(fā)送完畢中斷服務(wù)函數(shù)中讀取環(huán)形緩沖區(qū)并把讀到的字節(jié)送入UART發(fā)送器，然后等待TX發(fā)送完畢中斷服務(wù)函數(shù)再次執(zhí)行時送入下一個字節(jié)，直到把環(huán)形緩沖區(qū)的數(shù)據(jù)送完為止。環(huán)形緩沖區(qū)通常有一個標(biāo)記頭和尾的變量，只要頭和尾的變量值不相等就說明緩沖區(qū)有數(shù)據(jù)。使用UART Read接收數(shù)據(jù)時，也不是直接從UART接收器中獲取數(shù)據(jù)，而是從環(huán)形緩沖區(qū)中獲取數(shù)據(jù)。UART RX收到中斷服務(wù)函數(shù)中把UART接收器收到的字節(jié)送進(jìn)環(huán)形緩沖區(qū)，單片機執(zhí)行UART Read時獲取到的數(shù)據(jù)是環(huán)形緩沖區(qū)的數(shù)據(jù)，這樣可以保證單片機程序不用一直等待UART接收器。這種設(shè)計的優(yōu)點是可以有效地處理實時數(shù)據(jù)，避免了數(shù)據(jù)的丟失。但是，如果Queue的大小設(shè)置不當(dāng)，可能會導(dǎo)致數(shù)據(jù)的溢出。因此，我們需要根據(jù)實際的應(yīng)用場景來合理地設(shè)置Queue的大小。

我們今天要介紹的UART，全稱Universal Asynchronous

Receiver/Transmitter，通用異步收發(fā)傳輸器。使用TTL電平信號，和電腦的COM口(遵循RS-232)不同。它們之間不能直接通訊，需要在之間加入轉(zhuǎn)換器(如MAX232)。

Tips：

采用二進(jìn)制來表示數(shù)據(jù)時：

TTL(晶體管-晶體管邏輯電平)電平信號規(guī)定，+5V等價于邏輯“1”，0V等價于邏輯“0”。

RS-232規(guī)定邏輯“1”的電平為-5V~-15 V，邏輯“0”的電平為+5 V～+15 V

UART工作原理：

和其它串口一樣，數(shù)據(jù)按照二進(jìn)制從低位到高位一位一位的傳輸，能將要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)在串行通信與并行通信之間加以轉(zhuǎn)換，能夠靈活地與外部設(shè)備進(jìn)行全雙工數(shù)據(jù)交換。例如要傳輸一個字節(jié)的數(shù)據(jù)10001110，它是從低位0開始，一位一位的傳輸過去。

在 UART 通信中，兩個 UART 直接相互通信。發(fā)送端將來自控制設(shè)備(如 CPU)的并行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為串行形式，接著將其串行傳輸?shù)浇邮斩耍缓蠼邮斩藢⒋袛?shù)據(jù)轉(zhuǎn)換回并行數(shù)據(jù)以供接收設(shè)備使用。

數(shù)據(jù)從一個UART的發(fā)送引腳(Tx) 流向另一個UART的接收(Rx) 引腳：

UART通訊分類：

單工：UART只用Tx或Rx其中一根線進(jìn)行通訊，也就是只作接收或發(fā)送;

半雙工：UART在同一時間，只用作發(fā)送或接收;

全雙工：UART在發(fā)送的同時，也可以接收;

UART波特率：

UART的波特率是指每秒傳輸?shù)亩M(jìn)制位數(shù)(單位bps)，比如9600bps,意思就是每秒鐘可以傳輸9600個位(bit)。

例如：設(shè)字符傳輸?shù)乃俾蕿?20字符/秒，而每1個字符為10位(bit)，那么傳送的波特率為：10位/字符 * 120 字符/秒 = 1200 /秒 = 1200bps。那么每1位二進(jìn)制位(bit)的傳送時間：

T = 1/1200 = 0.833ms

UART要求發(fā)送與接收兩個UART的波特率配置相同。如果發(fā)送與接收波特率不同，相差很大，接收端采樣點跨過多個電平，造成接收丟失，或者造成波特率不匹配，接收失敗，如下圖：

常見的波特率有9600、115200、128000、256000等。

通訊過程：

UART屬于異步傳輸數(shù)據(jù)，這意味著沒有時鐘信號將發(fā)送的位輸出與接收的位采樣同步，也就是發(fā)送與接收使用各自的時鐘。發(fā)送端將開始和停止位添加到傳輸?shù)臄?shù)據(jù)幀中，通過數(shù)據(jù)幀中定義的開始位和結(jié)束位，接收端知道何時開始讀取這些位。

每個數(shù)據(jù)幀包含 1 個起始位、5 到 9 個數(shù)據(jù)位(取決于 UART的設(shè)置，如果有奇偶校驗位是5到8，沒有則是5到9)、一個可選的奇偶校驗位和 1 個或 2 個停止位：

起始位：UART 數(shù)據(jù)傳輸線在不傳輸數(shù)據(jù)時通常保持在高電平。要開始發(fā)送數(shù)據(jù)時，發(fā)送端UART先在一個時鐘周期內(nèi)將傳輸線從高電平拉到低電平。當(dāng)接收端UART 檢測到從高到低的電壓轉(zhuǎn)換時，它開始以設(shè)置好的波特率的頻率讀取數(shù)據(jù)幀中的位。

數(shù)據(jù)：數(shù)據(jù)幀包含正在傳輸?shù)膶嶋H數(shù)據(jù)。如果使用奇偶校驗位，它可以是 5 位到 8 位。如果不使用奇偶校驗位，則數(shù)據(jù)幀可以是 9 位。在大多數(shù)情況下，首先發(fā)送的數(shù)據(jù)是最低有效位。

校驗：奇偶校驗位是接收端UART 判斷數(shù)據(jù)在傳輸過程中是否發(fā)生變化的一種方式。位會因電磁輻射、不匹配的波特率或長距離數(shù)據(jù)傳輸而發(fā)生改變。接收端 UART 讀取數(shù)據(jù)幀后，檢查數(shù)據(jù)部分值為1的個數(shù)是奇數(shù)還是偶數(shù)。當(dāng)奇偶校驗位與數(shù)據(jù)匹配時，UART 知道傳輸沒有錯誤。

停止：發(fā)送端UART 將數(shù)據(jù)傳輸線從低電平拉到高電平持續(xù)至少兩個位的時間來表示整個數(shù)據(jù)包的傳輸已經(jīng)結(jié)束。

發(fā)送接收過程：

1.UART 從數(shù)據(jù)總線并行接收數(shù)據(jù)：

2.發(fā)送 UART 將起始位、奇偶校驗位和停止位添加到數(shù)據(jù)幀：

3.整個數(shù)據(jù)包從發(fā)送 UART 串行發(fā)送到接收 UART。接收 UART 以預(yù)配置的波特率對數(shù)據(jù)線進(jìn)行采樣：

4.接收 UART 丟棄數(shù)據(jù)幀中的起始位、奇偶校驗位和停止位：

5.接收端 UART 將串行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換回并行，并將其傳輸?shù)浇邮斩说臄?shù)據(jù)總線：