基礎知識之UART異步串行通信

一個(gè)通用的異步接收/發(fā)射器，簡(jiǎn)稱(chēng)為UART /?ju?ɑ?rt/, 是一種計算機硬件設備，它在計算機中的字符（通常是字節）之間轉換數據，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, 其中數據格式和傳輸速度是可配置的。UART通常與通信標準結合使用，例如TIA（以前稱(chēng)為EIA）RS-232，RS-422或RS-485。 通用名稱(chēng)表示數據格式和傳輸速度是可配置的。 電信號電平和方法（例如差分信號等）由UART外部的驅動(dòng)電路處理。

UART通常是用于通過(guò)計算機或外圍設備串行端口進(jìn)行串行通信的單獨（或部分）集成電路（IC）。 UART現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采用字節數據并以順序方式發(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。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換的基本方法。通過(guò)單線(xiàn)或其他介質(zhì)的數字信息（比特）的串行傳輸比通過(guò)多條線(xiàn)的并行傳輸更便宜。

UART通常不直接生成或接收不同設備之間使用的外部信號。獨立的接口設備用于將UART的邏輯電平信號轉換為外部信號電平和從外部信號電平轉換。外部信號可以有許多不同的形式。電壓信號標準的示例是來(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(xiàn)。其示例是其串行端口配置文件（SPP）中的光纖，IrDA（紅外線(xiàn)）和（無(wú)線(xiàn)）藍牙。一些信令方案使用載波信號的調制（有或沒(méi)有線(xiàn)路）。例如，使用電話(huà)線(xiàn)調制解調器調制音頻信號，使用數據無(wú)線(xiàn)電調制RF調制，以及使用DC-LIN進(jìn)行電力線(xiàn)通信。

通信可以是單工的（僅在一個(gè)方向上，沒(méi)有規定接收設備將信息發(fā)送回發(fā)送設備），全雙工（兩個(gè)設備同時(shí)發(fā)送和接收）或半雙工（設備輪流發(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）中的物理電路或獨立的IC，它的主要用途是發(fā)送和接收串行數據。

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等控制設備的并行數據轉換為串行格式，并將其串行發(fā)送到接收端的UART，接收UART將串行數據轉換回接收設備的并行數據。 在兩個(gè)UART之間傳輸數據只需要兩根線(xiàn)， 數據流從發(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）是負責實(shí)現串行通信的電路塊。 本質(zhì)上，UART充當并行和串行接口之間的中介。 UART的一端是八條左右數據線(xiàn)（加上一些控制引腳），另一條是兩條串行線(xiàn) - RX和TX。

兩個(gè)設備可以發(fā)送和接收數據的串行接口是全雙工或半雙工。 全雙工意味著(zhù)兩個(gè)設備可以同時(shí)發(fā)送和接收。 半雙工通信意味著(zhù)串行設備必須輪流發(fā)送和接收。

UART以異步方式發(fā)送數據，也就是說(shuō)沒(méi)有時(shí)鐘信號將發(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”位添加到正在傳輸的數據包中， 這些位定義了數據包的開(kāi)始和結束，接收UART基于這些位的信息知道何時(shí)開(kāi)始讀取輸入的串行數據。

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

當然兩個(gè)UART還必須配置為發(fā)送和接收相同的數據包結構。

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通信中數據傳輸的速率，即每秒鐘傳送的二進(jìn)制位數。例如數據傳送速率為120字符/秒，而每一個(gè)字符為10位（1個(gè)起始位，7個(gè)數據位，1個(gè)校驗位，1個(gè)結束位），則其傳送的波特率為10×120＝1200字符/秒＝1200波特。

我們在調試種最比較常見(jiàn)的波特率是9600bps，其它的“標準”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，對于發(fā)送的每個(gè)數據字節，實(shí)際上發(fā)送了10位：起始位，8個(gè)數據位和一個(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。

波特率越高，發(fā)送/接收的數據越快，但數據傳輸的速度有限。您通常不會(huì )看到超過(guò)115200的速度 - 這對于大多數微控制器來(lái)說(shuō)都很快。太高了，你會(huì )開(kāi)始看到接收端的錯誤，因為時(shí)鐘和采樣周期無(wú)法跟上。

發(fā)送的每個(gè)數據塊（通常是一個(gè)字節）實(shí)際上是以比特或比特幀發(fā)送的。通過(guò)將同步和奇偶校驗位附加到數據來(lái)創(chuàng )建幀。

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

• 數據位：可以是5~8位邏輯”0”或”1”。如ASCII碼（7位），擴展BCD碼（8位）。小端傳輸

• 校驗位：數據位加上這一位后，使得“1”的位數應為偶數(偶校驗)或奇數(奇校驗)

• 停止位：它是一個(gè)字符數據的結束標志?？梢允?位、1.5位、2位的高電平。

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

下面我們詳細介紹一下每一部分。

每個(gè)串行數據包的真正有營(yíng)養的是它攜帶的數據，我們且稱(chēng)之為“數據塊”，它沒(méi)有具體的大小限制。 每個(gè)數據包中的數據量可以設置為5到9位。 標準數據的大小一般是最基本的8位字節，但其它大小也有其用途，有時(shí)候7位數據能比8位更高效，比如只是用來(lái)傳輸7位ASCII字符。

在統一了字符長(cháng)度后，兩個(gè)串行設備也必須就其數據的字節順序達成一致。 數據是最高位（msb）還是最低位先發(fā)送？ 缺省設定為首先傳輸最低有效位（lsb）。

同步位是每個(gè)數據塊傳輸的兩個(gè)或三個(gè)特殊位。 它們是起始位和停止位，顧名思義，這些位標記了數據包的開(kāi)頭和結尾。 始終只有一個(gè)起始位，但停止位的數量可配置為一個(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的空閑數據線(xiàn)來(lái)指示，而停止位則將通過(guò)將該信號線(xiàn)保持為1而轉換回空閑狀態(tài)。

• 起始位：?jiǎn)巫止漊ART發(fā)送的第一位。 它表示數據線(xiàn)正在離開(kāi)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(kāi)銷(xiāo)位， 這意味著(zhù)它有助于接收器和發(fā)射器之間的通信，但不會(huì )傳輸有意義的數據。

• 停止位: 單字節UART傳輸的最后一位。 其邏輯電平與信號的空閑狀態(tài)相同，即邏輯高， 這是另一個(gè)開(kāi)銷(xiāo)。

奇偶校驗是一種非常簡(jiǎn)單的低級錯誤檢查方式，它分為兩種方式：奇數或偶數。 為了產(chǎn)生奇偶校驗位，數據字節的所有5-9位相加，并且求和的奇偶性決定該位是否置位。 例如，假設奇偶校驗設置為偶數并且正被添加到數字字節（如0b01011101，這串數中有奇數（5）個(gè)1，奇偶校驗位將被設置為1。相反，如果奇偶校驗模式設置為奇數 ，奇偶校驗位則為0。

下面我們來(lái)看看沒(méi)有時(shí)鐘信號的數據在接收端是如何被正確解讀的。

沒(méi)有時(shí)鐘對數據做判決，這些數據毫無(wú)意義。 下圖顯示了原因：

同一串數據可以有不同的解讀

典型的數據信號只是在邏輯低和邏輯高之間轉換的電壓。 只有當接收器知道何時(shí)采樣信號時(shí)，接收器才能正確地將這些邏輯狀態(tài)轉換為數字數據。

這可以使用單獨的時(shí)鐘信號輕松完成 - 例如，發(fā)送器在時(shí)鐘的每個(gè)上升沿更新數據信號，然后接收器在每個(gè)下降沿采樣數據。但UART接口沒(méi)有時(shí)鐘信號來(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)的數據信號呢？

發(fā)送端根據其時(shí)鐘信號生成比特流，然后接收端的目標是使用其內部時(shí)鐘信號在每個(gè)比特周期的中間對輸入的數據流進(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，因為接近比特周期的開(kāi)始或結束的采樣使得系統對接收端和發(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(kāi)始，這是關(guān)鍵同步過(guò)程發(fā)生的時(shí)間。接收端的內部時(shí)鐘完全獨立于發(fā)送端的內部時(shí)鐘 - 換句話(huà)說(shuō)，第一個(gè)下降沿可以對應于接收端時(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）。

假設一個(gè)比特周期對應于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)數據位周期的中間。

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

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

沒(méi)有任何一種通信方式和協(xié)議是完美的，因此沒(méi)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線(xiàn)就可以實(shí)現全雙工的數據傳輸（不算電源線(xiàn)）

• 無(wú)需時(shí)鐘信號

• 有一個(gè)奇偶校驗位提供硬件級別的錯誤檢查

• 數據包的結構可以通過(guò)兩端之間的協(xié)調來(lái)改變，比較靈活

• 有豐富的文檔且被廣泛使用的通信方式

• 相對比較容易配置和運行

• 與并行通信以及USART相比，數據傳輸的速度較慢

• 幀的大小被限定為最多9位

• 不支持多個(gè)從設備或多個(gè)主設備的功能

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

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

TTL UART 當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串行信號存在于微控制器的電源電壓范圍內 - 通常為0V至3.3V或5V。 VCC電平（3.3V，5V等）的信號表示空閑線(xiàn)，值1或停止位。 0V（GND）信號表示起始位或值為0的數據位。

RS-232 UART

RS-232（推薦標準232）是連接數據終端設備（DTE）和數據通信設備（DCE）的串行二進(jìn)制數據信號的標準。 它通常用于計算機的老式串口。 TTL電平UART和RS-232的主要區別就是電壓電平。 RS-232中的數字信號為±3至 - ±15V，無(wú)論如何都不會(huì )檢測到接近0V的信號。

RS-232，可以在一些更古老的計算機和外圍設備上找到，就像TTL串口翻轉一樣。 RS-232信號通常介于-13V和13V之間，但規格允許從+/- 3V到+/- 25V。 在這些信號上，低電壓（-5V，-13V等）表示空閑線(xiàn)，停止位或值為1的數據位。一個(gè)高的RS-232信號表示起始位或0- 值數據位。 這與TTL系列相反。

RS-232比TTL的UART有更多的引腳，用于PC和調制解調器之間的通信。 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)串行信號標準之間，TTL更容易實(shí)現到嵌入式電路中。 然而，低電壓電平更容易受到長(cháng)傳輸線(xiàn)路的損耗的影響。 RS-232或更復雜的標準（如RS-485）更適合遠程串行傳輸。當您將兩個(gè)串行設備連接在一起時(shí)，確保其信號電壓匹配是非常重要的。

實(shí)際的項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接口轉換芯片CP2102（來(lái)自SiLabs），通過(guò)計算機的USB端口仿真UART通信

工程師經(jīng)常犯的錯誤就是將RX和TX線(xiàn)錯誤連接，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。

如果數據以9600bps的波特率傳輸，并以19200bps的速率接收。 收到的數據將是一團垃圾！ 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，以避免錯配錯誤。

UART串行總線(xiàn)可以傳輸很長(cháng)的距離，但傳輸的距離以及最高能夠達到的波特率都取決于傳輸得越遠，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（物理層）。我們只提到TTL-UART和RS-232標準。

RS-232的最大電纜長(cháng)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)驗總結的一些經(jīng)驗法則。

TTL電平的UART僅支持5V的電壓擺幅，因此信號傳輸的距離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(cháng)電阻也就越高

• 電纜的電容：大家知道電容效應會(huì )阻礙信號電平的變化

• 噪聲：任何環(huán)境中都會(huì )有噪聲，帶屏蔽的雙絞線(xiàn)電纜對信號的傳輸會(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(xiě)控制邏輯

• 發(fā)送/接收緩存(可選)

• 系統數據總線(xiàn)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(可選)

• 掌管DMA控制器的集成化總線(xiàn)(可選)