UART之名词定义@@@（通用异步收发传输器:Universal Asynchronous Receiver/Transmitter)，通常称作UART。...

落日映苍穹つ 2021-11-17 01:56 174阅读 0赞

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。作为把并行输入信号转成串行输出信号的芯片，UART通常被集成于其他通讯接口的连结上。

具体实物表现为独立的模块化芯片，或作为集成于微处理器中的周边设备。一般是RS-232C规格的，与类似Maxim的MAX232之类的标准信号幅度变换芯片进行搭配，作为连接外部设备的接口。在UART上追加同步方式的序列信号变换电路的产品，被称为USART(Universal Synchronous Asynchronous Receiver Transmitter)。

中文名

通用异步收发传输器

外文名

Universal Asynchronous Receiver/Transmitter

原 理

串并转换和并串转换

应 用

通信领域

学 科

通信工程

定 义

异步收发传输器

## 目录 ##

1.  1定义
2.  2通信协议
3.  3基本结构
4.  4工作原理
5.  ▪发送接收
6.  ▪波特率产生

1.  ▪数据收发
2.  ▪中断控制
3.  ▪FIFO 操作
4.  ▪回环操作
5.  ▪串行红外协议
6.  5功能
7.  6UART 型号

1.  7通信速度
2.  8运用
3.  ▪通信领域
4.  ▪计算机

## UART定义 ##

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UART是一种通用串行 数据总线，用于 异步通信。该总线双向通信，可以实现 全双工传输和接收。在嵌入式设计中，UART用于主机与辅助设备通信，如汽车音响与外接AP之间的通信，与PC机通信包括与监控调试器和其它器件，如 EEPROM通信。 \[1\]

## UART通信协议 ##

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UART作为异步 串口通信协议的一种，工作原理是将传输数据的每个字符一位接一位地传输。

其中各位的意义如下：

起始位：先发出一个逻辑”0”的信号，表示传输字符的开始。

资料位：紧接着起始位之后。资料位的个数可以是4、5、6、7、8等，构成一个字符。通常采用ASCII码。从最低位开始传送，靠时钟定位。

奇偶校验位：资料位加上这一位后，使得“1”的位数应为偶数(偶校验)或奇数( 奇校验)，以此来校验资料传送的正确性。

停止位：它是一个字符数据的结束标志。可以是1位、1.5位、2位的高电平。 由于数据是在传输线上定时的，并且每一个设备有其自己的时钟，很可能在通信中两台 设备间出现了小小的不同步。因此停止位不仅仅是表示传输的结束，并且提供计算机校正 时钟同步的机会。适用于停止位的位数越多，不同时钟同步的容忍程度越大，但是数据传输率同时也越慢。

空闲位：处于逻辑“1”状态，表示当前线路上没有资料传送。

波特率：是衡量资料传送速率的指标。表示每秒钟传送的符号数（symbol）。一个符号代表的信息量（比特数）与符号的阶数有关。例如资料传送速率为120字符/秒，传输使用256阶符号，每个符号代表8bit，则波特率就是120baud，比特率是120\*8=960bit/s。这两者的概念很容易搞错。

## UART基本结构 ##

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⑴输出缓冲寄存器，它接收CPU从 数据总线上送来的并行数据，并加以保存。 \[2\]

⑵ 输出 移位寄存器，它接收从输出缓冲器送来的并行数据，以发送时钟的速率把数据逐位移出，即将并行数据转换为 串行数据输出。

⑶ 输入移位寄存器，它以接收时钟的速率把出现在串行数据输入线上的数据逐位移入，当数据装满后，并行送往输入缓冲寄存器，即将串行数据转换成并行数据。

⑷ 输入缓冲 寄存器，它从输入移位寄存器中接收并行数据，然后由CPU取走。

⑸ 控制寄存器，它接收CPU送来的控制字，由控制字的内容，决定通信时的传输方式以及数据格式等。例如采用异步方式还是同步方式，数据字符的位数，有无奇偶校验，是 奇校验还是偶校验，停止位的位数等参数。

⑹ 状态寄存器。状态寄存器中存放着接口的各种状态信息，例如输出缓冲区是否空，输入字符是否准备好等。在通信过程中，当符合某种状态时，接口中的状态检测逻辑将状态寄存器的相应位置“1”，以便让CPU查询。

## UART工作原理 ##

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### UART发送接收 ###

发送逻辑对从发送FIFO 读取的数据执行“并→串”转换。控制逻辑输出起始位在先的串行位流，并且根据 控制寄存器中已编程的配置，后面紧跟着 数据位（注意：最低位 LSB 先输出）、 奇偶校验位和停止位。

在检测到一个有效的起始脉冲后，接收逻辑对接收到的位流执行“串→并”转换。此外还会对溢出错误、 奇偶校验错误、帧错误和线中止（line-break）错误进行检测，并将检测到的状态附加到被写入接收FIFO 的数据中。 \[3\]

### UART波特率产生 ###

波特率除数（baud-rate divisor）是一个22 位数，它由16 位整数和6 位小数组成。波特率发生器使用这两个值组成的数字来决定位周期。通过带有小数波特率的除法器，在足够高的系统时钟速率下，UART 可以产生所有标准的波特率，而误差很小。

### UART数据收发 ###

发送时，数据被写入发送FIFO。如果UART 被使能，则会按照预先设置好的参数（波特率、 数据位、停止位、校验位等）开始发送数据，一直到发送FIFO 中没有数据。一旦向发送FIFO 写数据（如果FIFO 未空），UART 的忙标志位BUSY 就有效，并且在发送数据期间一直保持有效。BUSY 位仅在发送FIFO 为空，且已从 移位寄存器发送最后一个字符，包括停止位时才变无效。即 UART 不再使能，它也可以指示忙状态。BUSY 位的相关库函数是UARTBusy( )

在UART 接收器空闲时，如果数据输入变成“低电平”，即接收到了起始位，则接收计数器开始运行，并且数据在Baud16 的第8 个周期被采样。如果Rx 在Baud16 的第8 周期仍然为低电平，则起始位有效，否则会被认为是错误的起始位并将其忽略。

如果起始位有效，则根据数据字符被编程的长度，在 Baud16 的每第 16 个周期（即一个位周期之后）对连续的 数据位进行采样。如果 奇偶校验模式使能，则还会检测 奇偶校验位。

最后，如果Rx 为高电平，则有效的停止位被确认，否则发生帧错误。当接收到一个完整的字符时，将数据存放在接收FIFO 中。

### UART中断控制 ###

出现以下情况时，可使UART 产生中断：

*  FIFO 溢出错误
 *  线中止错误（line-break，即Rx 信号一直为0 的状态，包括校验位和停止位在内）
 *  奇偶校验错误
 *  帧错误（停止位不为1）
 *  接收超时（接收FIFO 已有数据但未满，而后续数据长时间不来）
 *  发送
 *  接收
 *  由于所有中断事件在发送到中断控制器之前会一起进行“或运算”操作，所以任意时刻 UART 只能向中断产生一个 中断请求。通过查询中断状态函数UARTIntStatus( )，软件可以在同一个中断服务函数里处理多个中断事件（多个并列的if 语句）。

### UARTFIFO 操作 ###

FIFO 是“First-In First-Out”的缩写，意为“先进先出”，是一种常见的队列操作。 Stellaris 系列ARM 的UART 模块包含有2 个16 字节的FIFO：一个用于发送，另一个用于接收。可以将两个FIFO 分别配置为以不同深度触发中断。可供选择的配置包括：1/8、 1/4、1/2、3/4 和7/8 深度。例如，如果接收FIFO 选择1/4，则在UART 接收到4 个数据时产生接收中断。

发送FIFO的基本工作过程： 只要有数据填充到发送FIFO 里，就会立即启动发送过程。由于发送本身是个相对缓慢的过程，因此在发送的同时其它需要发送的数据还可以继续填充到发送 FIFO 里。当发送 FIFO 被填满时就不能再继续填充了，否则会造成数据丢失，此时只能等待。这个等待并不会很久，以9600 的 波特率为例，等待出现一个空位的时间在1ms 上下。发送 FIFO 会按照填入数据的先后顺序把数据一个个发送出去，直到发送 FIFO 全空时为止。已发送完毕的数据会被自动清除，在发送FIFO 里同时会多出一个空位。

接收FIFO的基本工作过程： 当硬件逻辑接收到数据时，就会往接收FIFO 里填充接收到的数据。程序应当及时取走这些数据，数据被取走也是在接收FIFO 里被自动删除的过程，因此在接收 FIFO 里同时会多出一个空位。如果在接收 FIFO 里的数据未被及时取走而造成接收FIFO 已满，则以后再接收到数据时因无空位可以填充而造成数据丢失。

收发FIFO 主要是为了解决UART 收发中断过于频繁而导致CPU 效率不高的问题而引入的。在进行 UART 通信时， 中断方式比 轮询方式要简便且效率高。但是，如果没有收发 FIFO，则每收发一个数据都要 中断处理一次，效率仍然不够高。如果有了收发FIFO，则可以在连续收发若干个数据（可多至14 个）后才产生一次中断然后一并处理，这就大大提高了收发效率。

完全不必要担心FIFO 机制可能带来的数据丢失或得不到及时处理的问题，因为它已经帮你想到了收发过程中存在的任何问题，只要在初始化配置UART 后，就可以放心收发了， FIFO 和中断例程会自动搞定一切。

### UART回环操作 ###

UART 可以进入一个内部回环（Loopback）模式，用于诊断或调试。在回环模式下，从Tx 上发送的数据将被Rx 输入端接收。

### UART串行红外协议 ###

在某些 Stellaris 系列 ARM 芯片里，UART 还包含一个 IrDA 串行红外（SIR）编码器/ 解码器模块。IrDA SIR 模块的作用是在异步UART 数据流和半双工串行SIR 接口之间进行转换。片上不会执行任何模拟处理操作。SIR 模块的任务就是要给UART 提供一个数字编码输出和一个解码输入。UART 信号管脚可以和一个红外收发器连接以实现IrDA SIR 物理层连接。

## UART功能 ##

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在手机设计和测试阶段被用来控制CPU与其余部分的讯息传送。

UART是通用异步收发器（异步串行通信口）的英文缩写，它包括了 RS232、RS449、RS423、 RS422和 RS485等接口标准规范和总线标准规范，即UART是异步串行通信口的总称。 而RS232、RS449、RS423、RS422和RS485等，是对应各种异步串行通信口的接口标准和总线标准，它规定了通信口的电气特性、传输速率、连接特性和接口的机械特性等内容。实际上是属于通信网络中的实体层（Physical Layer）的概念，与通信协议没有直接关系。而通信协议，是属于通信网络中的资料链接层（Data Link Layer）的概念。 COM是PC（个人计算机）上，异步串行通信口的简写。由于历史原因，IBM的PC外部接口配置为RS232，成为实际上的PC界默认标准。所以，现在PC机的COM均为RS232。若配有多个异步串行通信口，则分别称为COM1、COM2... 。

## UARTUART 型号 ##

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一些早期用于 UART 的代表性 IC 型号如下表

<table> 
 <tbody> 
  <tr> 
   <th>Model</th> 
   <th>Description</th> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>EXAR XR21V1410</td> 
   <td>&nbsp;</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td><a rel="nofollow">Intersil</a>6402</td> 
   <td>&nbsp;</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>Z8440</td> 
   <td>2000 kbit/s. Async,Bisync,<a rel="nofollow">SDLC</a>,<a rel="nofollow">HDLC</a>,<a rel="nofollow">X.25</a>.<a rel="nofollow">CRC</a>. 4 字节接收缓冲区， 2 字节发送缓冲区，<a rel="nofollow">DMA</a>.</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td><a rel="nofollow">Intel</a>8251</td> 
   <td>USART，异步通信最高 19.2kbit/s，同步通信最高 64kbit/s</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td><a rel="nofollow">NS</a>INS8250</td> 
   <td>缓冲区只有 1 字节的老旧型式</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>Motorola 6850</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>6522</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>6551</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>Rockwell 65C52</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>16450</td> 
   <td>具有两组 UART， 代号 164 = 82 x 2 暗示了它的特性。 以下 16 开头的都有两组 UART</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>16550</td> 
   <td>推出后发现 FIFO 存在 bug，随即以 16550A 取代</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>16550A</td> 
   <td>16 字节缓冲区，可设为 TL=1,4,8,14; 标准最高速度 115.2 kbit/s, 也有可达 230.4 或 460.8 kbit/s 的，支援 DMA</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>16C552</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>16650</td> 
   <td>32 字节缓冲区，最高速度 460.8 kbit/s</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>16750</td> 
   <td>64 字节发送缓冲区， 56 字节接收缓冲区，最高速度 921.6 kbit/s</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>16850</td> 
   <td>128 字节缓冲区，最高速度 460.8 kbit/s 或 1500 kbit/s</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>16C850</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>16950</td> 
   <td>&nbsp;</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>Hayes ESP</td> 
   <td>1 k 字节缓冲区</td> 
  </tr> 
 </tbody> 
</table>

## UART通信速度 ##

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数据传输可以首先从最低有效位(LSB)开始。然而，有些UART允许灵活选择先发送最低有效位或最高有效位(MSB)。

微控制器中的UART传送数据的速度范围为每秒几百位到1.5Mb。例如，嵌入在ElanSC520微控制器中的高速UART通信的速度可以高达1.152Mbps。UART 波特率还受发送和接收线对距离(线长度)的影响。

市场上有只支持 异步通信和同时支持异步与 同步通信的两种硬件可用于UART。前者就是UART名字本身的含义，在摩托罗拉微控制器中被称为 串行通信接口(SCI)；Microchip微控制器中的通用同步异步收发器(USART)和在富士通微控制器中的UART是后者的两个典型例子。

## UART运用 ##

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### UART通信领域 ###

UART首先将接收到的并行数据转换成串行数据来传输。消息帧从一个低位起始位开始，后面是5~8个 数据位，一个可用的奇偶位和一个或几个高位停止位。接收器发现开始位时它就知道数据准备发送，并尝试与发送器 时钟频率同步。如果选择了奇偶，UART就在数据位后面加上奇偶位。奇偶位可用来帮助错误校验。

在接收过程中，UART从消息帧中去掉起始位和结束位，对进来的 字节进行 奇偶校验，并将数据字节从串行转换成并行。UART也产生额外的信号来指示发送和接收的状态。例如，如果产生一个奇偶错误，UART就置位奇偶标志。奇偶校验位适用于检验传输是否正确的。

### UART计算机 ###

UART是计算机中 串行通信端口的关键部分。在计算机中，UART相连于产生兼容RS232规范信号的电路。RS232标准定义逻辑“1”信号相对于地为-3到-15伏，而逻辑“0”相对于地为+3到+15伏。所以，当一个微控制器中的UART相连于PC时，它需要一个RS232 驱动器来转换电平。