UART總線工作原理全解析

還記得當年的打印機，鼠標和調制解調器嗎？他們都有巨大笨重的連接器和粗電纜，并且必須擰到你的電腦上。這些設備正是使用UART協(xié)議與計算機進行通信。雖然USB幾乎完全取代了舊的電纜和連接器，但UART絕對沒有過時。您會發(fā)現(xiàn)目前許多項目中使用UART的GPS模塊、藍牙模塊和RFID讀卡器模塊等連接到Raspberry Pi，Arduino或其他微控制器上。

通用異步收發(fā)傳輸器（Universal Asynchronous Receiver/Transmitter)，通常稱作UART。它將要傳輸?shù)?a href="http://www.wenjunhu.com/soft/special/" target="_blank">資料在串行通信與并行通信之間加以轉換。作為把并行輸入信號轉成串行輸出信號的芯片，UART通常被集成于其他通訊接口的連結上。

它不是像SPI和I2C這樣的通信協(xié)議，而是微控制器中獨立的物理電路或獨立的IC。

UART最好的一點是它只使用兩根線就可以在設備之間傳輸數(shù)據(jù)，UART背后的原理很容易理解。

UART通信簡介

在UART通信中，兩個UART直接相互通信。發(fā)送UART將來自CPU等控制設備的并行數(shù)據(jù)轉換為串行形式，并將其串行發(fā)送到接收UART，接收UART然后將串行數(shù)據(jù)轉換回接收設備的并行數(shù)據(jù)。在兩個UART之間傳輸數(shù)據(jù)只需要兩根線。數(shù)據(jù)從發(fā)送UART的Tx引腳流向接收UART的Rx引腳：

UART以異步方式發(fā)送數(shù)據(jù)，這意味著沒有時鐘信號將發(fā)送UART的位輸出與接收UART的位采樣同步。發(fā)送UART不是時鐘信號，而是將開始和停止位添加到正在傳輸?shù)臄?shù)據(jù)包中。這些位定義數(shù)據(jù)包的開始和結束，因此接收UART知道何時開始讀取位。

當接收UART檢測到起始位時，它開始以稱為波特率的特定頻率讀取輸入位。波特率是數(shù)據(jù)傳輸速度的度量，以每秒位數(shù)（bps）表示。兩個UART必須以大致相同的波特率運行。發(fā)送和接收UART之間的波特率只能相差10％左右。

兩個UART還必須配置為發(fā)送和接收相同的數(shù)據(jù)包結構。

UART如何工作

UART傳輸數(shù)據(jù)依靠的是UART總線，數(shù)據(jù)總線用于通過CPU，存儲器或微控制器等其他設備將數(shù)據(jù)發(fā)送到UART。數(shù)據(jù)以并行形式從數(shù)據(jù)總線傳輸?shù)桨l(fā)送UART。在發(fā)送UART從數(shù)據(jù)總線獲得并行數(shù)據(jù)之后，它將添加起始位，奇偶校驗位和停止位，從而創(chuàng)建數(shù)據(jù)包。接下來，數(shù)據(jù)包在Tx引腳上逐位串行輸出。UART接收端則在其Rx引腳上逐位讀取數(shù)據(jù)包。然后，接收UART將數(shù)據(jù)轉換回并行形式，并刪除起始位，奇偶校驗位和停止位。最后，接收UART將數(shù)據(jù)包并行傳輸?shù)浇邮斩说臄?shù)據(jù)總線：

UART傳輸?shù)臄?shù)據(jù)被組織成數(shù)據(jù)包。每個數(shù)據(jù)包包含1個起始位，5到9個數(shù)據(jù)位（取決于UART），可選的奇偶校驗位以及1或2個停止位：

開始位

當UART數(shù)據(jù)傳輸線不傳輸數(shù)據(jù)時，它通常保持在高電壓電平。為了開始數(shù)據(jù)傳輸，發(fā)送UART將傳輸線從高電平拉至低電平一個時鐘周期。當接收UART檢測到高電壓到低電壓轉換時，它開始以波特率的頻率讀取數(shù)據(jù)幀中的位。

數(shù)據(jù)框

數(shù)據(jù)框包含要傳輸?shù)膶嶋H數(shù)據(jù)。如果使用奇偶校驗位，則它可以是5位到8位長。如果不使用奇偶校驗位，則數(shù)據(jù)幀可以是9位長。在大多數(shù)情況下，數(shù)據(jù)首先以最低有效位發(fā)送。

奇偶校驗位

奇偶校驗描述數(shù)字的均勻性或奇數(shù)。奇偶校驗位是接收UART在傳輸過程中判斷是否有任何數(shù)據(jù)發(fā)生變化的一種方法。電磁輻射、不匹配的波特率或長距離傳輸時，數(shù)據(jù)都有可能發(fā)生變化。接收UART讀取數(shù)據(jù)幀后，它會計算值為1的位數(shù)，并檢查總數(shù)是偶數(shù)還是奇數(shù)。如果奇偶校驗位為0（偶校驗），則數(shù)據(jù)幀中的1位應總計為偶數(shù)。如果奇偶校驗位是1（奇校驗），則數(shù)據(jù)幀中的1位應總計為奇數(shù)。當奇偶校驗位與數(shù)據(jù)匹配時，UART知道傳輸沒有錯誤。但如果奇偶校驗位為0，然而1位應總計為奇數(shù);或者奇偶校驗位是1，并且1位應總計是偶數(shù)，則數(shù)據(jù)幀中的位已經(jīng)改變。

停止位

為了通知傳輸數(shù)據(jù)包的結束，UART發(fā)送端會將數(shù)據(jù)傳輸線從低電壓驅動至高電壓至少兩位持續(xù)時間。

UART傳輸步驟

1.發(fā)送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以預先配置的波特率對數(shù)據(jù)線進行采樣：

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UART將串行數(shù)據(jù)轉換回并行并將其傳輸?shù)浇邮斩说臄?shù)據(jù)總線：

UART的優(yōu)點和缺點

沒有任何一種通信協(xié)議是完美的，以下是一些優(yōu)點和缺點，可幫助您確定它們是否符合您項目的需求：

優(yōu)點

只使用兩根電線
不需要時鐘信號
有一個奇偶校驗位
只要雙方設置后，就可以改變數(shù)據(jù)包的結構
有完整的文檔并且具有廣泛的使用

缺點

數(shù)據(jù)幀的大小限制為最多9位
不支持多個從屬或多個主系統(tǒng)
每個UART的波特率必須在10％之內