基礎(chǔ)知識(shí)之UART異步串行通信

一個(gè)通用的異步接收/發(fā)射器，簡(jiǎn)稱為UART /?ju?ɑ?rt/, 是一種計(jì)算機(jī)硬件設(shè)備，它在計(jì)算機(jī)中的字符（通常是字節(jié)）之間轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)，以及在起始位和停止位之間封裝這些字符的異步串行通信格式, 其中數(shù)據(jù)格式和傳輸速度是可配置的。UART通常與通信標(biāo)準(zhǔn)結(jié)合使用，例如TIA（以前稱為EIA）RS-232，RS-422或RS-485。 通用名稱表示數(shù)據(jù)格式和傳輸速度是可配置的。 電信號(hào)電平和方法（例如差分信號(hào)等）由UART外部的驅(qū)動(dòng)電路處理。

UART通常是用于通過(guò)計(jì)算機(jī)或外圍設(shè)備串行端口進(jìn)行串行通信的單獨(dú)（或部分）集成電路（IC）。 UART現(xiàn)在通常包含在微控制器中。 雙UART或DUART將兩個(gè)UART組合成一個(gè)芯片。 八進(jìn)制UART或OCTART將八個(gè)UART組合成一個(gè)封裝，例如Exar XR16L788或NXP SCC2698。 相關(guān)設(shè)備，通用同步/異步接收器/發(fā)送器（USART）也支持同步操作。

UART采用字節(jié)數(shù)據(jù)并以順序方式發(fā)送各個(gè)位。在目的地，第二個(gè)UART將這些位重新組合成完整的字節(jié)。每個(gè)UART都包含一個(gè)移位寄存器，它是串行和并行形式之間轉(zhuǎn)換的基本方法。通過(guò)單線或其他介質(zhì)的數(shù)字信息（比特）的串行傳輸比通過(guò)多條線的并行傳輸更便宜。

UART通常不直接生成或接收不同設(shè)備之間使用的外部信號(hào)。獨(dú)立的接口設(shè)備用于將UART的邏輯電平信號(hào)轉(zhuǎn)換為外部信號(hào)電平和從外部信號(hào)電平轉(zhuǎn)換。外部信號(hào)可以有許多不同的形式。電壓信號(hào)標(biāo)準(zhǔn)的示例是來(lái)自EIA的RS-232，RS-422和RS-485。歷史上，電流電路中使用電流（電流環(huán)路）。一些信令方案不使用電線。其示例是其串行端口配置文件（SPP）中的光纖，IrDA（紅外線）和（無(wú)線）藍(lán)牙。一些信令方案使用載波信號(hào)的調(diào)制（有或沒有線路）。例如，使用電話線調(diào)制解調(diào)器調(diào)制音頻信號(hào)，使用數(shù)據(jù)無(wú)線電調(diào)制RF調(diào)制，以及使用DC-LIN進(jìn)行電力線通信。

通信可以是單工的（僅在一個(gè)方向上，沒有規(guī)定接收設(shè)備將信息發(fā)送回發(fā)送設(shè)備），全雙工（兩個(gè)設(shè)備同時(shí)發(fā)送和接收）或半雙工（設(shè)備輪流發(fā)送和接收） ）。

UART（Universal Asynchronous Receiver/Transmitter，翻譯過(guò)來(lái)叫通用異步收發(fā)） 其實(shí)不是像SPI和I2C這樣的通信協(xié)議，而是MCU（微控制器）中的物理電路或獨(dú)立的IC，它的主要用途是發(fā)送和接收串行數(shù)據(jù)。

在UART通信中，兩個(gè)UART可以直接相互通信。 發(fā)送UART將來(lái)自CPU等控制設(shè)備的并行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為串行格式，并將其串行發(fā)送到接收端的UART，接收UART將串行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換回接收設(shè)備的并行數(shù)據(jù)。 在兩個(gè)UART之間傳輸數(shù)據(jù)只需要兩根線， 數(shù)據(jù)流從發(fā)送UART的Tx引腳到接收UART的Rx引腳：

通用異步接收器/發(fā)送器（UART）是負(fù)責(zé)實(shí)現(xiàn)串行通信的電路塊。 本質(zhì)上，UART充當(dāng)并行和串行接口之間的中介。 UART的一端是八條左右數(shù)據(jù)線（加上一些控制引腳），另一條是兩條串行線 - RX和TX。

兩個(gè)設(shè)備可以發(fā)送和接收數(shù)據(jù)的串行接口是全雙工或半雙工。 全雙工意味著兩個(gè)設(shè)備可以同時(shí)發(fā)送和接收。 半雙工通信意味著串行設(shè)備必須輪流發(fā)送和接收。

UART以異步方式發(fā)送數(shù)據(jù)，也就是說(shuō)沒有時(shí)鐘信號(hào)將發(fā)送UART的位輸出與接收UART的位采樣進(jìn)行同步。 發(fā)送UART將“起始”和“停止”位添加到正在傳輸?shù)臄?shù)據(jù)包中， 這些位定義了數(shù)據(jù)包的開始和結(jié)束，接收UART基于這些位的信息知道何時(shí)開始讀取輸入的串行數(shù)據(jù)。

當(dāng)接收UART檢測(cè)到起始位時(shí)，它以特定的頻率（也就是“波特率”）讀取輸入的串行數(shù)據(jù)。波特率是數(shù)據(jù)傳輸速度的度量，單位-每秒位數(shù)（bps）。 兩個(gè)UART必須以相同的波特率運(yùn)行。發(fā)送和接收UART之間的波特率相差不能超過(guò)10%，偏差太遠(yuǎn)就無(wú)法對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行正確的解讀。

當(dāng)然兩個(gè)UART還必須配置為發(fā)送和接收相同的數(shù)據(jù)包結(jié)構(gòu)。

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。兩個(gè)相鄰位間的時(shí)間間隔與UART通信的波特率有關(guān)，波特率用來(lái)表征UART通信中數(shù)據(jù)傳輸?shù)乃俾?，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。

我們?cè)谡{(diào)試種最比較常見的波特率是9600bps，其它的“標(biāo)準(zhǔn)”波特還有1200、2400、4800、19200、38400、57600和115200。

以9600bps傳輸為例，將每個(gè)位高或低保持的時(shí)間為1 /（9600 bps）或每位104μs，對(duì)于發(fā)送的每個(gè)數(shù)據(jù)字節(jié)，實(shí)際上發(fā)送了10位：起始位，8個(gè)數(shù)據(jù)位和一個(gè)停止位。 因此，在9600bps時(shí)，我們實(shí)際上每秒發(fā)送9600位或每秒960（9600/10）字節(jié)。

波特率越高，發(fā)送/接收的數(shù)據(jù)越快，但數(shù)據(jù)傳輸?shù)乃俣扔邢?。您通常不?huì)看到超過(guò)115200的速度 - 這對(duì)于大多數(shù)微控制器來(lái)說(shuō)都很快。太高了，你會(huì)開始看到接收端的錯(cuò)誤，因?yàn)闀r(shí)鐘和采樣周期無(wú)法跟上。

發(fā)送的每個(gè)數(shù)據(jù)塊（通常是一個(gè)字節(jié)）實(shí)際上是以比特或比特幀發(fā)送的。通過(guò)將同步和奇偶校驗(yàn)位附加到數(shù)據(jù)來(lái)創(chuàng)建幀。

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

• 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

• 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?？梢允?位、1.5位、2位的高電平。

• 空閑位：處于邏輯“1”狀態(tài)，表示當(dāng)前線路上沒有資料傳送。

下面我們?cè)敿?xì)介紹一下每一部分。

每個(gè)串行數(shù)據(jù)包的真正有營(yíng)養(yǎng)的是它攜帶的數(shù)據(jù)，我們且稱之為“數(shù)據(jù)塊”，它沒有具體的大小限制。 每個(gè)數(shù)據(jù)包中的數(shù)據(jù)量可以設(shè)置為5到9位。 標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)的大小一般是最基本的8位字節(jié)，但其它大小也有其用途，有時(shí)候7位數(shù)據(jù)能比8位更高效，比如只是用來(lái)傳輸7位ASCII字符。

在統(tǒng)一了字符長(zhǎng)度后，兩個(gè)串行設(shè)備也必須就其數(shù)據(jù)的字節(jié)順序達(dá)成一致。 數(shù)據(jù)是最高位（msb）還是最低位先發(fā)送？ 缺省設(shè)定為首先傳輸最低有效位（lsb）。

同步位是每個(gè)數(shù)據(jù)塊傳輸?shù)膬蓚€(gè)或三個(gè)特殊位。 它們是起始位和停止位，顧名思義，這些位標(biāo)記了數(shù)據(jù)包的開頭和結(jié)尾。 始終只有一個(gè)起始位，但停止位的數(shù)量可配置為一個(gè)或兩個(gè)（通常情況下保留為一個(gè)）。

起始位始終是由從1到0的空閑數(shù)據(jù)線來(lái)指示，而停止位則將通過(guò)將該信號(hào)線保持為1而轉(zhuǎn)換回空閑狀態(tài)。

• 起始位：?jiǎn)巫止?jié)UART發(fā)送的第一位。 它表示數(shù)據(jù)線正在離開其空閑狀態(tài)。 空閑狀態(tài)通常為邏輯高，因此起始位為邏輯低。起始位是開銷位， 這意味著它有助于接收器和發(fā)射器之間的通信，但不會(huì)傳輸有意義的數(shù)據(jù)。

• 停止位: 單字節(jié)UART傳輸?shù)淖詈笠晃弧?其邏輯電平與信號(hào)的空閑狀態(tài)相同，即邏輯高， 這是另一個(gè)開銷。

奇偶校驗(yàn)是一種非常簡(jiǎn)單的低級(jí)錯(cuò)誤檢查方式，它分為兩種方式：奇數(shù)或偶數(shù)。 為了產(chǎn)生奇偶校驗(yàn)位，數(shù)據(jù)字節(jié)的所有5-9位相加，并且求和的奇偶性決定該位是否置位。 例如，假設(shè)奇偶校驗(yàn)設(shè)置為偶數(shù)并且正被添加到數(shù)字字節(jié)（如0b01011101，這串?dāng)?shù)中有奇數(shù)（5）個(gè)1，奇偶校驗(yàn)位將被設(shè)置為1。相反，如果奇偶校驗(yàn)?zāi)Ｊ皆O(shè)置為奇數(shù) ，奇偶校驗(yàn)位則為0。

下面我們來(lái)看看沒有時(shí)鐘信號(hào)的數(shù)據(jù)在接收端是如何被正確解讀的。

沒有時(shí)鐘對(duì)數(shù)據(jù)做判決，這些數(shù)據(jù)毫無(wú)意義。 下圖顯示了原因：

同一串?dāng)?shù)據(jù)可以有不同的解讀

典型的數(shù)據(jù)信號(hào)只是在邏輯低和邏輯高之間轉(zhuǎn)換的電壓。 只有當(dāng)接收器知道何時(shí)采樣信號(hào)時(shí)，接收器才能正確地將這些邏輯狀態(tài)轉(zhuǎn)換為數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)。

這可以使用單獨(dú)的時(shí)鐘信號(hào)輕松完成 - 例如，發(fā)送器在時(shí)鐘的每個(gè)上升沿更新數(shù)據(jù)信號(hào)，然后接收器在每個(gè)下降沿采樣數(shù)據(jù)。但UART接口沒有時(shí)鐘信號(hào)來(lái)同步Tx和Rx器件，接收端如何知道何時(shí)采樣發(fā)射端送來(lái)的數(shù)據(jù)信號(hào)呢？

發(fā)送端根據(jù)其時(shí)鐘信號(hào)生成比特流，然后接收端的目標(biāo)是使用其內(nèi)部時(shí)鐘信號(hào)在每個(gè)比特周期的中間對(duì)輸入的數(shù)據(jù)流進(jìn)行采樣。雖然在比特周期的中間進(jìn)行采樣不是必要的但卻是最佳的，因?yàn)榻咏忍刂芷诘拈_始或結(jié)束的采樣使得系統(tǒng)對(duì)接收端和發(fā)射端之間的時(shí)鐘頻率差異的魯棒性較差。

接收端序列從起始位的下降沿開始，這是關(guān)鍵同步過(guò)程發(fā)生的時(shí)間。接收端的內(nèi)部時(shí)鐘完全獨(dú)立于發(fā)送端的內(nèi)部時(shí)鐘 - 換句話說(shuō)，第一個(gè)下降沿可以對(duì)應(yīng)于接收端時(shí)鐘周期中的任何點(diǎn)：

為了確保接收端時(shí)鐘的有效邊沿能夠在比特周期的中間附近發(fā)生，發(fā)送到接收端模塊的波特率時(shí)鐘的頻率要比實(shí)際波特率高得多（比8或16或甚至32倍）。

假設(shè)一個(gè)比特周期對(duì)應(yīng)于16個(gè)接收端時(shí)鐘周期。 在這種情況下，同步和采樣可以按如下方式進(jìn)行：

• 接收過(guò)程由起始位的下降沿啟動(dòng)。

• 接收端等待8個(gè)時(shí)鐘周期，以便建立一個(gè)接近比特周期中間的采樣點(diǎn)。

• 然后，接收端等待16個(gè)時(shí)鐘周期，使其進(jìn)入第一個(gè)數(shù)據(jù)位周期的中間。

• 第一個(gè)數(shù)據(jù)位被采樣并存儲(chǔ)在接收寄存器中，然后模塊在采樣第二個(gè)數(shù)據(jù)位之前等待另外16個(gè)時(shí)鐘周期。

• 重復(fù)此過(guò)程直到所有數(shù)據(jù)位都被采樣和存儲(chǔ)，然后停止位的上升沿使UART接口返回其空閑狀態(tài)。

沒有任何一種通信方式和協(xié)議是完美的，因此沒中方式都有其優(yōu)點(diǎn)，也有其缺點(diǎn)，我們來(lái)看看UART的主要優(yōu)缺點(diǎn)。

• 只需要使用兩根信號(hào)線就可以實(shí)現(xiàn)全雙工的數(shù)據(jù)傳輸（不算電源線）

• 無(wú)需時(shí)鐘信號(hào)

• 有一個(gè)奇偶校驗(yàn)位提供硬件級(jí)別的錯(cuò)誤檢查

• 數(shù)據(jù)包的結(jié)構(gòu)可以通過(guò)兩端之間的協(xié)調(diào)來(lái)改變，比較靈活

• 有豐富的文檔且被廣泛使用的通信方式

• 相對(duì)比較容易配置和運(yùn)行

• 與并行通信以及USART相比，數(shù)據(jù)傳輸?shù)乃俣容^慢

• 幀的大小被限定為最多9位

• 不支持多個(gè)從設(shè)備或多個(gè)主設(shè)備的功能

• 收發(fā)兩個(gè)器件UART的波特率差別不能超過(guò)10％

實(shí)際應(yīng)用中的信號(hào)傳輸方式 將兩個(gè)UART的設(shè)備進(jìn)行連接有多種方式，取決于具體的應(yīng)用場(chǎng)景，在這里我們僅看兩種：TTL UART和RS-232。

TTL UART 當(dāng)微控制器和其它器件進(jìn)行串行通信時(shí)，通常以TTL電平進(jìn)行通信。 TTL串行信號(hào)存在于微控制器的電源電壓范圍內(nèi) - 通常為0V至3.3V或5V。 VCC電平（3.3V，5V等）的信號(hào)表示空閑線，值1或停止位。 0V（GND）信號(hào)表示起始位或值為0的數(shù)據(jù)位。

RS-232 UART

RS-232（推薦標(biāo)準(zhǔn)232）是連接數(shù)據(jù)終端設(shè)備（DTE）和數(shù)據(jù)通信設(shè)備（DCE）的串行二進(jìn)制數(shù)據(jù)信號(hào)的標(biāo)準(zhǔn)。 它通常用于計(jì)算機(jī)的老式串口。 TTL電平UART和RS-232的主要區(qū)別就是電壓電平。 RS-232中的數(shù)字信號(hào)為±3至 - ±15V，無(wú)論如何都不會(huì)檢測(cè)到接近0V的信號(hào)。

RS-232，可以在一些更古老的計(jì)算機(jī)和外圍設(shè)備上找到，就像TTL串口翻轉(zhuǎn)一樣。 RS-232信號(hào)通常介于-13V和13V之間，但規(guī)格允許從+/- 3V到+/- 25V。 在這些信號(hào)上，低電壓（-5V，-13V等）表示空閑線，停止位或值為1的數(shù)據(jù)位。一個(gè)高的RS-232信號(hào)表示起始位或0- 值數(shù)據(jù)位。 這與TTL系列相反。

RS-232比TTL的UART有更多的引腳，用于PC和調(diào)制解調(diào)器之間的通信。 我們常用的DB-9的引腳排列及其功能如下所示。

最撲街的RS-232收發(fā)芯片 - MAX232

在兩個(gè)串行信號(hào)標(biāo)準(zhǔn)之間，TTL更容易實(shí)現(xiàn)到嵌入式電路中。 然而，低電壓電平更容易受到長(zhǎng)傳輸線路的損耗的影響。 RS-232或更復(fù)雜的標(biāo)準(zhǔn)（如RS-485）更適合遠(yuǎn)程串行傳輸。當(dāng)您將兩個(gè)串行設(shè)備連接在一起時(shí)，確保其信號(hào)電壓匹配是非常重要的。

實(shí)際的項(xiàng)目中可以有多種方式來(lái)連接PC和MCU，最方便的是下面列出的幾種方式中的最后一種。

TTL-UART到RS-232串口（古老的通用方式）

TTL-UART 到 RS-232串口 到 USB

USB-TTL 轉(zhuǎn)換模塊

全球創(chuàng)客界最火的WiFi模塊ESP8266只需要UART接口和AT指令集進(jìn)行操作

物美價(jià)廉的USB到TTL UART接口轉(zhuǎn)換芯片CP2102（來(lái)自SiLabs），通過(guò)計(jì)算機(jī)的USB端口仿真UART通信

工程師經(jīng)常犯的錯(cuò)誤就是將RX和TX線錯(cuò)誤連接，因此在遇到連接不通的時(shí)候一定要先檢查確定一下是否存在這方面的問(wèn)題。

如果數(shù)據(jù)以9600bps的波特率傳輸，并以19200bps的速率接收。 收到的數(shù)據(jù)將是一團(tuán)垃圾！ 波特率必須在發(fā)送端和接收端匹配，這是UART串行通信的經(jīng)驗(yàn)法則，波特率的最大允許偏移趨于介于（1-2％）之間。 因此嘗試在兩端生成完全相同的波特率，以避免錯(cuò)配錯(cuò)誤。

UART串行總線可以傳輸很長(zhǎng)的距離，但傳輸?shù)木嚯x以及最高能夠達(dá)到的波特率都取決于傳輸?shù)迷竭h(yuǎn)，波特率也就會(huì)降低，它還取決于UART協(xié)議本身的硬件實(shí)現(xiàn)（物理層）。我們只提到TTL-UART和RS-232標(biāo)準(zhǔn)。

RS-232的最大電纜長(zhǎng)度為50英尺。 但實(shí)際上它取決于波特率、電纜的等效電容和環(huán)境噪聲。 下表是TI多年前通過(guò)實(shí)驗(yàn)總結(jié)的一些經(jīng)驗(yàn)法則。

TTL電平的UART僅支持5V的電壓擺幅，因此信號(hào)傳輸?shù)木嚯x以及能夠支持到的波特率取決于下面的3個(gè)元素：

• 電纜的電阻 - 電纜越長(zhǎng)電阻也就越高

• 電纜的電容：大家知道電容效應(yīng)會(huì)阻礙信號(hào)電平的變化

• 噪聲：任何環(huán)境中都會(huì)有噪聲，帶屏蔽的雙絞線電纜對(duì)信號(hào)的傳輸會(huì)有幫助

一個(gè)UART一般包含了如下的一些組成部分:

• 一個(gè)時(shí)鐘發(fā)生器,通常是比特率的整數(shù)倍，以便能夠在一個(gè)bit周期的中間進(jìn)行采樣

• 輸入和輸出移位寄存器

• 發(fā)送/接收控制

• 讀/寫控制邏輯

• 發(fā)送/接收緩存(可選)

• 系統(tǒng)數(shù)據(jù)總線緩存(可選)

• 先進(jìn)先出(FIFO)緩存(可選)

• 第三方DMA控制器需要的信號(hào)(可選)

• 掌管DMA控制器的集成化總線(可選)