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1. 协议基础
1.1. 协议简介
UART是“Universal Asynchronous Receiver/Transmitter”，通用异步收发器的缩写。在19世纪60年代，为了解决计算机和电传打字机通信，Bell发明了UART协议，将并行输入信号转换成串行输出信号。因为UART简单实用的特性，其已经成为一种使用非常广泛的通讯协议。我们日常接触到的串口，RS232，RS485等总线，内部使用的基本都是UART协议。
为了更好的理解和分析协议与总线的关系，我们通常把一个完整的通讯规范划分成物理层，协议层以及应用层。物理层只定义真实的信号特性（比如电压，电流，驱动能力等），以及电信号与逻辑信号0和1的对应关系；协议层不关心底层的0和1具体怎么实现，只规定逻辑信号的协议规范以及通讯过程（例如起始，数据以及结束等）；应用层不关心数据是怎么获取的，只定义数据表示的意义，以及如何实现具体的业务逻辑。
图 1‑1 通讯协议的分层实现
最简单的UART协议应用，通常物理层只需要两根传输线，一根用于发送，一根用于接收，从而实现全双工通讯。对于单向传输，也可以只使用一根传输线。此类应用最典型的实例就是单片机的RX/TX端口互相连接，从而实现基于TTL电平的UART通讯。对于不同的传输距离以及可靠性的要求，替换不同的物理层实现既可以得到我们常见的RS232、RS485等通讯总线。
1.2. 不同的物理层实现
由于UART协议层的输入是逻辑0/1信号，而逻辑0/1信号在物理层可以通过不同的电平标准来区分。针对不同的通讯需求，便可以使用不同的物理层实现。例如简单的板内通讯，或者常见的设备调试场景，使用简单的LVTTL/TTL电平即可在两个设备间进行UART协议通讯。
图 1‑2 不同的物理层电平标准
通用的串口则使用的是RS232电平，可以增加传输距离，并且抵抗一定程度的信号干扰。付出的成本则是在物理层需要对应的电平转换芯片来实现，发送端需要将内部的高低电平信号转换成电压更高的+/-电压信号，接收端需要将+/-电压信号转换成内部的高低电平信号。
在工业通讯的场景下，为了进一步提高传输距离，以及增强信号的可靠性，一般会采用RS485的电平标准。在发送端将普通的高低电平信号转换成一对差分信号，在接收端将差分信号再转换成普通的高低电平信号。另外，RS485允许总线上连接多达128收发器，而TTL或者RS232则是点对点的连接。
1.2.1. 基于TTL的UART通讯
基于TTL的UART通讯，是UART协议应用最简单的使用场景。即直接把数字I/O输出的高低电平作为实际的物理信号进行传输。在物理连接上，只需要设备共地，通过一根信号线即可完成单向的设备通讯。如果需要双向全双工，使用两根信号线即可。
图 1‑3 基于TTL的UART通讯
为了对比不同物理层实现的差别，我们可以观察发送相同数据时，不同物理层的实际信号有何不同。这里以发送字符‘D‘为例，通过璞石示波器，直接观察TTL实现传输的信号（探头接地端连接设备共地端，探头信号端连接上图蓝色信号线），可以获得如图 1‑4所示的信号波形。从波形可以看出，当没有数据传输时，UART信号会一直保持在高电平（具体信号幅度由I/O的供电电压决定），数据传输时信号发生跳变，传输完成后信号重新回到空闲的高电平状态。
图 1‑4 TTL的UART信号波形
1.2.2. 基于RS232的UART通讯
为了增强驱动能力，以增加传输距离和可靠性，RS232总线采用了双极性电压信号来进行物理传输。信号在发送/接收之前，通过电平转换芯片实现内部信号和总线信号的互相转换。连接方式和TTL电平完全相同，整个物理层只是多了一层电平转换。
图 1‑5 基于RS232的UART通讯
同样以发送字符‘D‘为例，璞石示波器的探头连接到信号端，可以采集到如图 1‑6所示的实际波形。可以看出，RS232波形在空闲时为负电压，当有数据传输时，信号开始在正负电压之间跳变，传输完成后重新回到空闲的负电压状态。
图 1‑6 RS232的UART波形
1.2.3. 基于RS485的UART通讯
RS485为复杂的工业环境而设计，和其它UART协议的物理层相比，RS485总线最大的特点就是使用了差分信号传输。信号在发送之前，通过RS485的收发器把单端信号转换成差分信号，再发送到总线上进行传输；同样在接收之前，总线上的差分信号通过收发器的转换变成单端信号再送给UART控制器进行接收。在RS485总线上，如果希望进行全双工的双向通讯，需要两对差分信号线（即4根信号线）。如果只进行半双工的双向通讯，则仅需要一对差分信号即可。
图 1‑7 基于RS485的UART通讯
还是以发送字符‘D‘为例，使用璞石示波器2个通道的探头（共参考地），分别连接到其中一对差分信号的A/B端，可以采集到如图 1‑8所示的实际波形。可以看出，A/B端的波形为互补关系。A端波形为正向逻辑（空闲时为正电压），B端波形为反向逻辑（空闲时为负电压）。
图 1‑8 RS485的UART波形
2. 协议规范
2.1. UART帧结构
在上一节的介绍中，我们通过璞石示波器观察了实际的UART波形，那么这个波形到底是怎么被准确的识别成字符‘D‘，而不是其它内容的呢？这就涉及到UART协议帧结构的定义。如图 2‑1所示：
图 2‑1 UART协议帧结构
当两个设备需要通过UART协议进行通讯时，它们需要同时约定好以下内容：
每一位信号的时间长度T（波特率 = 1/T）
帧结构中每一项的具体位数
是否有校验位，以及校验位的机制（奇/偶/..）
有了这些约定，接收设备只需要等待起始位的到来，再对之后的波形进行固定间隔的采样即可获得传输的具体信息。以字符‘D‘的波形为例，其解析过程如图 2‑2所示：
图 2‑2 UART波形分析
2.1.1. 波特率
波特率是UART协议，或者说所有异步串行协议，非常重要的一个概念，即单位时间内（1秒）可表示的bit位个数，或者也可以表述为bit位宽的倒数。例如一个波特率为115200的UART波形表示1秒可容纳115200个bit位，也就是说每一位bit数据占大约8.68uS的时长。
图 2‑3 波特率的定义
UART等异步串行协议，为了简化信号物理连接，降低通讯成本，一般只有一根信号线，无法同时传输数据和时钟信号。收/发设备为了正确解析波形就需要在相同的波特率设置下。而相同的波形使用不同的波特率获取的信息可能会完全不同。对于接收设