一文搞懂UART通信協(xié)議

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UART簡介

UART（Universal Asynchronous Receiver/Transmitter，通用異步收發(fā)器）是一種雙向、串行、異步的通信總線，僅用一根數(shù)據(jù)接收線和一根數(shù)據(jù)發(fā)送線就能實現(xiàn)全雙工通信。

典型的串口通信使用3根線完成，分別是：發(fā)送線（TX）、接收線（RX）和地線（GND），通信時必須將雙方的TX和RX交叉連接并且GND相連才可正常通信，如下圖所示：

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UART特性

UART接口不使用時鐘信號來同步發(fā)送器和接收器設(shè)備，而是以異步方式傳輸數(shù)據(jù)。發(fā)送器根據(jù)其時鐘信號生成的位流取代了時鐘信號，接收器使用其內(nèi)部時鐘信號對輸入數(shù)據(jù)進(jìn)行采樣。

同步點是通過兩個設(shè)備的相同波特率（UART和大多數(shù)串行通信一樣，發(fā)送和接收設(shè)備需要將波特率（波特率是指信息傳輸?shù)叫诺赖乃俾剩┰O(shè)置為相同的值。對于串行端口，設(shè)定的波特率將用作每秒傳輸?shù)淖畲笪粩?shù)）來管理的。

如果波特率不同，發(fā)送和接收數(shù)據(jù)的時序可能會受影響，導(dǎo)致數(shù)據(jù)處理過程出現(xiàn)不一致。允許的波特率差異最大值為10%，超過此值，位的時序就會脫節(jié)。

下總結(jié)了關(guān)于UART必須了解的幾點：

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UART協(xié)議幀

在UART中，傳輸模式為數(shù)據(jù)包形式。數(shù)據(jù)包由起始位、數(shù)據(jù)幀、奇偶校驗位和停止位組成。

3.1、起始位

當(dāng)不傳輸數(shù)據(jù)時，UART數(shù)據(jù)傳輸線通常保持高電壓電平。若要開始數(shù)據(jù)傳輸，發(fā)送UART會將傳輸線從高電平拉到低電平并保持1個時鐘周期。

當(dāng)接收UART檢測到高到低電壓躍遷時，便開始以波特率對應(yīng)的頻率讀取數(shù)據(jù)幀中的位。

3.2、數(shù)據(jù)位

數(shù)據(jù)幀包含所傳輸?shù)膶嶋H數(shù)據(jù)。如果使用奇偶校驗位，數(shù)據(jù)幀長度可以是5位到8位。如果不使用奇偶校驗位，數(shù)據(jù)幀長度可以是9位。

在大多數(shù)情況下，數(shù)據(jù)以最低有效位優(yōu)先方式發(fā)送。

3.3、奇偶校驗位

奇偶性描述數(shù)字是偶數(shù)還是奇數(shù)。通過奇偶校驗位，接收UART判斷傳輸期間是否有數(shù)據(jù)發(fā)生改變。電磁輻射、不一致的波特率或長距離數(shù)據(jù)傳輸都可能改變數(shù)據(jù)位。

校驗位可以配置成 1 位偶校驗或 1 位奇校驗或無校驗位。

接收UART讀取數(shù)據(jù)幀后，將統(tǒng)計數(shù)值為1的位，檢查總數(shù)是偶數(shù)還是奇數(shù)。如果奇偶校驗位為0（偶數(shù)奇偶校驗），則數(shù)據(jù)幀中的1或邏輯高位總計應(yīng)為偶數(shù)。如果奇偶校驗位為1（奇數(shù)奇偶校驗），則數(shù)據(jù)幀中的1或邏輯高位總計應(yīng)為奇數(shù)。

當(dāng)奇偶校驗位與數(shù)據(jù)匹配時，UART認(rèn)為傳輸未出錯。但是，如果奇偶校驗位為0，而總和為奇數(shù)，或者奇偶校驗位為1，而總和為偶數(shù)，則UART認(rèn)為數(shù)據(jù)幀中的位已改變。

3.4、停止位

為了表示數(shù)據(jù)包結(jié)束，發(fā)送UART將數(shù)據(jù)傳輸線從低電壓驅(qū)動到高電壓并保持1到2位時間。

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UART通信步驟

第1步：數(shù)據(jù)從數(shù)據(jù)總線到發(fā)送器。

第2步：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。

第3步：從起始位到結(jié)束位，整個數(shù)據(jù)包以串行方式從發(fā)送器送至接收器。

接收UART以預(yù)配置的波特率對數(shù)據(jù)線進(jìn)行采樣。

第4步：接收器丟棄數(shù)據(jù)幀中的起始位、奇偶校驗位和停止位。

第5步：接收器將串行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換回并行數(shù)據(jù)，并將其傳輸?shù)浇邮斩说臄?shù)據(jù)總線。