一文看懂 UART 通信协议

UART 通信简介

UART即通用异步收发器，是一种通用的串行、异步通信总线，该总线有两条数据线，可以实现全双工的发送和接收，在嵌入式系统中常用于主机与辅助设备之间的通信。在UART通信中，两个UART直接相互通信。发送UART将来自控制设备（如CPU）的并行数据转换为串行形式，将其串行传输到接收UART，然后UART将串行数据转换回接收设备的并行数据。在两个UART之间传输数据只需要两根线。数据从发送 UART 的 Tx 引脚流向接收 UART 的 Rx 引脚：

UART异步传输数据，这意味着没有时钟信号将发送UART的位输出同步到接收UART的位采样。发送UART不是时钟信号，而是将开始位和停止位添加到正在传输的数据包中。这些位定义了数据包的开始和结束，因此接收UART知道何时开始读取位。

当接收UART检测到起始位时，它开始以称为波特率的特定频率读取传入位。波特率是数据传输速度的度量，以每秒比特数（bps）表示。 两个 UART 必须以大约相同的波特率运行。在位的时序偏离太远之前，发送和接收 UART 之间的波特率只能相差约 10%。还必须将两个 UART 配置为传输和接收相同的数据包结构。

UART工作原理

将要传输数据的UART从数据总线接收数据。数据总线用于通过另一个设备（如CPU，内存或微控制器）将数据发送到UART。数据以并行形式从数据总线传输到传输UART。在发送UART从数据总线获取并行数据后，它会添加一个起始位、一个奇偶校验位和一个停止位，从而创建数据包。接下来，数据包在Tx引脚上逐位串行输出。接收UART在其Rx引脚上逐位读取数据包。然后，接收的UART将数据转换回并行形式，并删除起始位、奇偶校验位和停止位。最后，接收UART将数据包并行传输到接收端的数据总线：

UART传输的数据被组织成数据包。每个数据包包含 1 个起始位、5 到 9 个数据位（取决于 UART）、一个可选的奇偶校验位以及 1 个或 2 个停止位：

起始位

UART数据传输线在不传输数据也就是处于空闲时通常保持在高电平。为了开始数据传输，发送UART将传输线从高电平拉到低电平一个时钟周期。当接收UART检测到从高到低的电压转换时，它开始以波特率的频率读取数据帧中的位。

数据帧

数据框包含正在传输的实际数据。如果使用奇偶校验位，则长度可以是 5 位到 8 位。如果未使用奇偶校验位，则数据帧的长度可以为 5 位到 9 位。在大多数情况下，数据从数据帧中的最低位开始发送。

奇偶校验位

奇偶校验位的目的是检查数据帧在发送到接收有没有发生数据错误，奇偶校验描述数字的偶数或奇数。奇偶校验位是接收UART的一种方式，用于判断在传输过程中是否有数据发生了变化。接收的UART读取数据帧后，它会计算值为1的位数，并检查总数是偶数还是奇数。如果奇偶校验位为 0（偶数奇偶校验），则数据帧中的 1 位应加起来为偶数。如果奇偶校验位为 1（奇数奇偶校验），则数据帧中的 1 位应加起来为奇数。当奇偶校验位与数据匹配时，UART 知道传输没有错误。但是，如果奇偶校验位为 0，并且总数为奇数;或者奇偶校验位是1，而总数是偶数，UART知道数据帧中的位已经改变。

停止位

为了发出数据包结束的信号，发送UART将数据传输线从低电平转换到高电平至少要持续两个位的时间。

UART 传输的步骤

1. 发送UART从数据总线并行接收数据：

2. 发送 UART 将起始位、偶校验位和停止位添加到数据帧中：

3. 整个数据包从发送 UART 以串行方式发送到接收 UART。接收UART以预配置的波特率对数据线进行采样：

4. 接收 UART 从数据帧中丢弃起始位、奇偶校验位和停止位：

5. 接收UART将串行数据转换回并行，并将其传输到接收端的数据总线：

UART的优缺点

没有一个通信协议是完美的，但UART非常擅长它所做的事情。以下是一些优缺点：

优点

仅使用两根线

无需时钟信号

具有奇偶校验位以便检查数据是否有误

数据包的结构可以更改，只需在两端添加必要的位

缺点

数据帧的大小限制为最大9位

不支持多个主机或者从机

每个UART的波特率必须在彼此的10%以内