干貨滿滿：帶你看透UART總線的工作原理

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。它將要傳輸的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據，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據轉換為串行形式，并將其串行發(fā)送到接收 UART，接收 UART 然后將串行數據轉換回接收設備的并行數據。在兩個 UART 之間傳輸數據只需要兩根線。數據從發(fā)送 UART 的 Tx 引腳流向接收 UART 的 Rx 引腳：

UART 以異步方式發(fā)送數據，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的數據包中。這些位定義數據包的開始和結束，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。波特率是數據傳輸速度的度量，以每秒位數（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)送和接收相同的數據包結構。

UART 如何工作

UART 傳輸數據依靠的是 UART 總線，數據總線用于通過 CPU，存儲器或微控制器等其他設備將數據發(fā)送到 UART。數據以并行形式從數據總線傳輸到發(fā)送 UART。在發(fā)送 UART 從數據總線獲得并行數據之后，它將添加起始位，奇偶校驗位和停止位，從而創(chuàng)建數據包。接下來，數據包在 Tx 引腳上逐位串行輸出。UART 接收端則在其 Rx 引腳上逐位讀取數據包。然后，接收 UART 將數據轉換回并行形式，并刪除起始位，奇偶校驗位和停止位。最后，接收 UART 將數據包并行傳輸到接收端的數據總線：

UART 傳輸的數據被組織成數據包。每個數據包包含 1 個起始位，5 到 9 個數據位（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 數據傳輸線不傳輸數據時，它通常保持在高電壓電平。為了開始數據傳輸，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據幀中的位。

數據框

數據框包含要傳輸的實際數據。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，則數據幀可以是 9 位長。在大多數情況下，數據首先以最低有效位發(fā)送。

奇偶校驗位

奇偶校驗描述數字的均勻性或奇數。奇偶校驗位是接收 UART 在傳輸過程中判斷是否有任何數據發(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，數據都有可能發(fā)生變化。接收 UART 讀取數據幀后，它會計算值為 1 的位數，并檢查總數是偶數還是奇數。如果奇偶校驗位為 0（偶校驗），則數據幀中的 1 位應總計為偶數。如果奇偶校驗位是 1（奇校驗），則數據幀中的 1 位應總計為奇數。當奇偶校驗位與數據匹配時，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;或者奇偶校驗位是 1，并且 1 位應總計是偶數，則數據幀中的位已經改變。

停止位

為了通知傳輸數據包的結束，UART 發(fā)送端會將數據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 從數據總線并行接收數據：

2. 發(fā)送 UART 將起始位，奇偶校驗位和停止位添加到數據幀：

3. 整個數據包從發(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據線進行采樣：

4. 接收 UART 丟棄數據幀中的起始位，奇偶校驗位和停止位：

5. 接收 UART 將串行數據轉換回并行并將其傳輸到接收端的數據總線：

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，就可以改變數據包的結構
有完整的文檔并且具有廣泛的使用

缺點
數據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

審核編輯黃昊宇