UART通信协议(二)数据格式和工作模式

前言：在本系列的前一篇文章中介绍了波特率和比特率的区别，接下来的文章开始说下UART的数据格式和工作模式。

UART协议简介

通用异步收发传输器（Universal Asynchronous Receiver/Transmitter)，通常称作UART。它将要传输的资料在串行通信与并行通信之间加以转换。
UART协议中涉及到的引线有2根，分别是TX和RX。TX用于芯片将并行的一个字节的数据转换为串行的比特流在TX上传输。RX用于芯片接收从机传回的数据比特流，并将该串行比特流转换为并行的一个字节数据。

UART数据格式

如上图所示，传送一个字符中包含的比特位有：
起始位：一个低电平，逻辑“0”信号，表示传输一个字符的开始。
数据位：可以根据需要传送5~8位的数据位，如ASCII码(7位)，扩展BCD码(8位)，上述图片中就是8位数据位。传输的比特流采用小端传输的格式，即低比特位先传输。
停止位：表示传输一个字符的结束，可以是1个、1.5个、2个高电平。
空闲位：当前线路上无数据传输时，置为高电平。
注：通过上面的例子我们发现，传输一个字节所需要的比特位是1位起始位+8位数据位+1位停止位=10位(按照上图举例)，并且每个字节都有开始位和结束位。同一个字节传输中，属于该字节的每个比特间隔时间一样；但传输不同字节间的间隔时间则不能确定。

UART工作模式

UART有两根线，最常见的玩法是一根用于发数据一根用于收数据，并且通信双方约定好收发数据的速度，就可以愉快的玩耍了，这就是异步收发传输。但是前辈们的智慧无穷，提供了更多的花样玩法，适用于更多的场合。以下是UART的几种工作模式：
1）同步半双工模式
将UART的RX作为输入输出端口，TX作为同步移位时钟，此时可以没有起始停止位，当同步移位时钟信号改变出现时序信号时，开始收发数据。这时通信双方波特率固定，波特率代表双方调制解调信号的速率，要区别于同步移位时钟信号的作用，这里不可省略。可以看出，当传输同一方向大量数据时，这种方式可以省去起始位和停止位，传输带宽比较高，缺点是同一时刻只能进行一个方向的通信，不够灵活。同步半双工，就是双方约定波特率的情况下，牺牲了一根线作为同步时钟线，标记现在出现的数据是否是我们需要的信号 。

2）异步全双工模式(无校验位)
跟上一种模式相比，异步全双工模式就是将RX和TX两根线都利用起来，在约定波特率情况下，通信双反可以在同一时刻接收或者发送数据，并且每个字节都会带起始位和停止位来区别于其他状态。


3)异步全双工模式(有校验位)

3.1)非多机通讯模式
当传输大量数据时，总会有出错的可能。跟上一种模式相比，在约定波特率下，这种模式下多了一个校验位，在TX中为TB8,在RX中为RB8.这里可以设置为对所有该字节的数据比特进行奇校验或偶校验，该位则为校验位，发送端对该位进行计算填充，接收端在接收完该字节后，可以检查校验位，若校验位出错则可报错或丢弃该字节。


3.2)多机通讯模式
我们知道UART有两根线TX和RX，可以连接一对主机进行通信，但如果某个场景中，一个主机需要和多个从机进行通信，按照上面的做法，则需要在主机上引出多根TX和RX线，这从设计上不利于扩展，对资源也是一种极大的浪费。所以这里可以利用刚刚的校验位来实现多机通讯功能。
在不使用校验功能时，TB8和RB8可以用来标识该帧是地址帧还是数据帧。这时多个从机可以并联到主机的TX和RX上，每个从机都有自己的地址，对RX上的数据进行监听，若地址帧的地址于自身一致，则开始准备接收数据。
注：上述每种工作模式下，通信双方都有约定波特率。但根据不同的芯片或不同的场景，波特率分为可编程波特率和固定波特率。这要具体的应用芯片来看了。

总结：UART协议需要用到两根通信线TX和RX,在通信时需要注意双方波特率的设置应一致。根据不同的场景可选择是否全双工或者半双工，不同模式下，停止位、数据位、校验位和停止位数不同。