UART通信协议

港控/mmm° 2022-05-10 12:56 266阅读 0赞

此文转自：[http://blog.sina.com.cn/s/blog\_78e87ba10102wj71.html][http_blog.sina.com.cn_s_blog_78e87ba10102wj71.html]

对很多接触过单片机的朋友们来说，UART一定不是一个陌生的东西，因为往往许多人将UART作为程序调试反馈的一个重要途径，而UART协议也成为了目前最通用的协议之一。至于UART的来历，其实更多的是对RS232的继承和发展。早期的电脑基本上都是通过RS232协议进行通讯，采用的接插件为DB25。后来随着PC机的发展，许多厂商更偏向于生产小型化的接口，而IBM电脑在上世纪八九十年代的盛行更是将DB9接插件变成了PC机的标配。而随着移动设备的多样化和多量化，许多非RS232的设备也需要接入PC机，故最好的方式就是RS232接口的设备和非RS232接口的设备都通过RS232接口接入PC机。所以UART里面的U(Universal)也是这个意思。所以现在的PC机虽说外部都采用的是UART，但实际上内部还是使用了RS232的接口。

现在基本上所有的单片机、处理器等都是由硬件控制UART的收发，用户只需在程序里调用芯片厂商编写的API函数即可对UART进行控制。虽说硬件已经帮我们解决了绝大部分的事情，但对于UART的概念以及UART的通讯时序，我觉得还是需要去理解和领会的。以下是我对于UART通信协议的理解，若有不对的地方，欢迎广大读者指正。

//---------------------------------------------华丽的分割线------------------------------------//

UART(Universal Asynchronous Receiver/Transmitter)，通用异步（串行）收发器，主要由两根信号线进行通信：RXD、TXD。值得注意的是，UART通信并不存在时钟线，也就是说，UART是一种异步通信协议。对于两个设备要通过UART进行通信，则接口如下图所示：

[![UART通信协议][UART]][UART_UART]

图1 UART设备连接图

UART在空闲时，两条通信线均为高电平状态。UART通信的单位为一个帧，一个帧里面包含起始位、数据位、奇偶校验位和停止位，如下图所示：

[![UART通信协议][UART 1]][UART_UART 1]

图2 数据帧格式

·起始位：起始位为一个周期的低电平，接收端在检测到起始位之后开始一次UART通信；

·数据位：发送的数据内容存放至该码段中，低位优先。数据的位数常规来说为8位，根据不同的               硬件设计也可以有不同的位数选择，但一般来说不超过11位；

·奇偶校验位：分为奇校验和偶校验，该校验针对的为数据位的校验，该位为对数据正确性的一个                 验证。发送端选择奇校验时，硬件判断数据位中的1是否为奇数，若为奇数则将奇偶校验               位置0，若为偶数则将奇偶校验位置1。接收端接收到数据后判断数据位和奇偶校验位中                 的1的个数是否满足奇偶校验。若1的个数为偶数，则满足偶校验；若1的个数为奇数，则               满足奇校验。

·停止位：停止位常规来说为一个或两个周期的高电平，标志本次UART通信结束。

举个例子吧，若一个设备想向另外一个设备发送一个八位数据（10010110），要求满足奇校验，停止位为1个周期长度，则发送端的波形如下：

[![UART通信协议][UART 2]][UART_UART 2]

图3 波形图-1

由图可看到，在一个起始位的开始后，紧接着一个8位的数据，但注意到的是先发送的是低位，最后发送的是高位。这8位数据中，有4（偶数）个1，故不满足奇校验，应在奇偶校验位上置1，使得整个数据中1的个数为奇数。同样的，若要使得通信满足偶校验，由于数据位中已经有偶数个1，故奇偶校验位置0即可满足偶校验。

在UART中，另外一个很重要的指标为波特率(Baud Rate)，这个指标衡量的是UART通信的速度。但在这里有两个概念需要区分，那就是比特率和波特率，许多人经常把这两个概念给混淆。

波特率的定义为单位时间内传输的码元的个数，而比特率的定义为单位时间内传输的比特的个数。故波特率又称为码元速率。那么码元又是什么呢？码元是承载信息量的基本单位，用时间间隔相同的符号表示一个多进制数，这个符号就为码元。（摘自百度百科）这么理解吧，对于UART来说，若电平标准为TTL，则5V表示1，0V表示0。则一个码元可以表示一位二进制数字。此时波特率等于比特率。而对于另外一种系统，0V表示00，2V表示01，4V表示10，6V表示11，这样的系统的码元则可以表示两位二进制数字。则波特率为比特率的1/2。也就是说一个码元能够表示多少位2进制数，则波特率等于比特率乘以这个二进制数的位数。

综上所述，我们可以总结出UART通信的特点：

1.通信数据线少，比较节约IO资源；

2.通讯协议简单，硬件设计复杂性较低；

3.通讯速率较低；

4.通信效率不高；

5.抗干扰性差。

针对第3、4点，由于UART通信不存在时钟线对数据进行同步，故在通信前需要对波特率进行一个约定才能完成正常通信。正是由于没有时钟线同步，接收端在对数据进行采样时，就算约定了速率，但由于两者之间的时钟再怎么样都会有误差（除非你用原子钟...），所以无法完成一个持续的长时间采样，在每次起始位到来时接收端都会对采样时钟相位进行一次校准，故无法完成高速率通信的要求。而起始位、奇偶校验位和停止位的占用，使得整个带宽会有一定的牺牲，例如要传输8位数据，完成奇或偶校验，停止位为1位，则通信效率为8/11≈72%，若传输数据位数再少一点则这个效率更低，所以UART节省IO口的代价就是牺牲了一部分的带宽，这也是异步通信的弊端。现在的许多通信协议为了提高速率，大多都会采用一根时钟线来进行同步，除非像USB或者光线那样的高速通信设备，将时钟信号植入了数据信号当中。

总的来说，UART还是个非常好用的通信协议，市面上许多的模组也都采用的UART作为通信接口。以上的叙述都是个人的浅见，若有发现不对的地方，欢迎指正，我也一定虚心请教~

扩展：

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、RS499、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、RS499、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物理层（最底层）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数据链路层（上一层）的概念。  
    COM口是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口均为RS232。        UART（Universal Asynchronous Receiver/Transmitter）即通用异步收发传输器，工作于数据链路层。包含了RS－232、RS－422、RS－485串口通信和红外(IrDA)  
等等。

UART协议作为一种低速通信协议，广泛应用于通信领域等各种场合。UART基本可分为并口通信及串口通信两种。

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[UART 1]: http://s11.sinaimg.cn/bmiddle/002dho0Vzy750bjstS2fa&690
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