【总线】一文看懂 UART 通信协议

目录

UART 通信简介

UART工作原理

起始位

数据帧

奇偶校验位

停止位

UART 传输的步骤

UART的优缺点

优点

缺点

---

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。

需要的线数	2
最大速率	最大可达10Mb/s
同步或异步	异步
串行或并行	并行
主机的最大个数	1
从机的最大个数	1

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