UART串口協(xié)議詳解

UART(Universal Asynchronous Receiver/Transmitter)是一種異步全雙工串行通信協(xié)議，由Tx和Rx兩根數(shù)據(jù)線組成，因?yàn)闆](méi)有參考時(shí)鐘信號(hào)，所以通信的雙方必須約定串口波特率、數(shù)據(jù)位寬、奇偶校驗(yàn)位、停止位等配置參數(shù)，從而按照相同的速率進(jìn)行通信。

異步通信以一個(gè)字符為傳輸單位，通信中兩個(gè)字符間的時(shí)間間隔多少是不固定的，然而在同一個(gè)字符中的兩個(gè)相鄰位間的時(shí)間間隔是固定的。當(dāng)波特率為9600bps時(shí)，傳輸一個(gè)bit的時(shí)間間隔大約為104.16us；波特率為115200bps時(shí)，傳輸一個(gè)bit的時(shí)間間隔大約為8us。

數(shù)據(jù)傳送速率用波特率來(lái)表示，即每秒鐘傳送的二進(jìn)制位數(shù)。例如數(shù)據(jù)傳送速率為120字符/秒，而每一個(gè)字符為10位（1個(gè)起始位，7個(gè)數(shù)據(jù)位，1個(gè)校驗(yàn)位，1個(gè)結(jié)束位），則其傳送的波特率為10×120＝1200字符/秒＝1200波特。

數(shù)據(jù)通信時(shí)序圖：

其中各位的意義如下：

起始位：先發(fā)出一個(gè)邏輯”0”信號(hào)，表示傳輸字符的開(kāi)始

數(shù)據(jù)位：可以是5~8位邏輯”0”或”1”；如ASCII碼（7位），擴(kuò)展BCD碼（8位）；小端傳輸，即LSB先發(fā)，MSB后發(fā)

校驗(yàn)位：數(shù)據(jù)位加上這一位后，使得“1”的位數(shù)應(yīng)為偶數(shù)(偶校驗(yàn))或奇數(shù)(奇校驗(yàn))

停止位：它是一個(gè)字符數(shù)據(jù)的結(jié)束標(biāo)志。可以是1位、1.5位、2位的高電平（用于雙方同步，停止位時(shí)間間隔越長(zhǎng)，容錯(cuò)能力越強(qiáng)）

空閑位：處于邏輯“1”狀態(tài)，表示當(dāng)前線路上沒(méi)有數(shù)據(jù)傳送

注：異步通信是按字符傳輸?shù)?，接收設(shè)備在收到起始信號(hào)之后只要在一個(gè)字符的傳輸時(shí)間內(nèi)能和發(fā)送設(shè)備保持同步就能正確接收。下一個(gè)字符起始位的到來(lái)又使同步重新校準(zhǔn)（依靠檢測(cè)起始位來(lái)實(shí)現(xiàn)發(fā)送與接收方的時(shí)鐘自同步的）

圖-1 起始位和停止位

圖-2 數(shù)據(jù)位

上圖是uart協(xié)議傳輸一個(gè)”A”字符通過(guò)示波器的uart解碼而得到的波形示意圖。根據(jù)此圖來(lái)介紹一下uart的一些基本參數(shù)。

波特率：此參數(shù)容易和比特率混淆，其實(shí)他們是由區(qū)別的。具體可以百度更清楚。但是我認(rèn)為uart中的波特率就可以認(rèn)為是比特率，即每秒傳輸?shù)奈粩?shù)(bit)。一般選波特率都會(huì)有9600,19200,115200等選項(xiàng)。其實(shí)意思就是每秒傳輸這么多個(gè)比特位數(shù)(bit)。

起始位:先發(fā)出一個(gè)邏輯”0”的信號(hào)，表示傳輸數(shù)據(jù)的開(kāi)始。

數(shù)據(jù)位:可以選擇的值有5,6,7,8這四個(gè)值，可以傳輸這么多個(gè)值為0或者1的bit位。這個(gè)參數(shù)最好為8，因?yàn)槿绻酥禐槠渌闹禃r(shí)當(dāng)你傳輸?shù)氖茿SCII值時(shí)一般解析肯定會(huì)出問(wèn)題。理由很簡(jiǎn)單，一個(gè)ASCII字符值為8位，如果一幀的數(shù)據(jù)位為7，那么還有一位就是不確定的值，這樣就會(huì)出錯(cuò)。

校驗(yàn)位：數(shù)據(jù)位加上這一位后，使得“1”的位數(shù)應(yīng)為偶數(shù)(偶校驗(yàn))或奇數(shù)(奇校驗(yàn))，以此來(lái)校驗(yàn)數(shù)據(jù)傳送的正確性。就比如傳輸“A”(01000001)為例。

1、當(dāng)為奇數(shù)校驗(yàn)：”A”字符的8個(gè)bit位中有兩個(gè)1,那么奇偶校驗(yàn)位為1才能滿足1的個(gè)數(shù)為奇數(shù)(奇校驗(yàn))。圖-1的波形就是這種情況。

2、當(dāng)為偶數(shù)校驗(yàn)：”A”字符的8個(gè)bit位中有兩個(gè)1,那么奇偶校驗(yàn)位為0才能滿足1的個(gè)數(shù)為偶數(shù)(偶校驗(yàn))。

此位還可以去除，即不需要奇偶校驗(yàn)位。

停止位：它是一幀數(shù)據(jù)的結(jié)束標(biāo)志?？梢允?bit、1.5bit、2bit的空閑電平?？赡艽蠹視?huì)覺(jué)得很奇怪，怎么會(huì)有1.5位~沒(méi)錯(cuò)，確實(shí)有的。所以我在生產(chǎn)此uart信號(hào)時(shí)用兩個(gè)波形點(diǎn)來(lái)表示一個(gè)bit。這個(gè)可以不必深究。

空閑位：沒(méi)有數(shù)據(jù)傳輸時(shí)線路上的電平狀態(tài)。為邏輯1。

傳輸方向：即數(shù)據(jù)是從高位(MSB)開(kāi)始傳輸還是從低位(LSB)開(kāi)始傳輸。比如傳輸“A”如果是MSB那么就是01000001（如圖-2），如果是LSB那么就是10000010（如下圖的圖-4）

uart傳輸數(shù)據(jù)的順序就是：剛開(kāi)始傳輸一個(gè)起始位，接著傳輸數(shù)據(jù)位，接著傳輸校驗(yàn)位(可不需要此位)，最后傳輸停止位。這樣一幀的數(shù)據(jù)就傳輸完了。接下來(lái)接著像這樣一直傳送。在這里還要說(shuō)一個(gè)參數(shù)。

幀間隔:即傳送數(shù)據(jù)的幀與幀之間的間隔大小，可以以位為計(jì)量也可以用時(shí)間(知道波特率那么位數(shù)和時(shí)間可以換算)。比如傳送”A”完后，這為一幀數(shù)據(jù)，再傳”B”，那么A與B之間的間隔即為幀間隔。

圖-3

圖-4

上兩圖和下兩圖傳送的數(shù)據(jù)和波特率都是一樣的，但是有幾個(gè)參數(shù)是故意設(shè)置反了從而形成對(duì)比。有助于更深入的理解UART。

看完以上講解，你是否真的理解了UART的傳輸協(xié)議呢？請(qǐng)看一下三圖，能否說(shuō)出串口發(fā)送的是什么數(shù)據(jù)呢？

TTL電平波形1

TTL電平波形2

RS232電平波形