本文將帶你了解UART協(xié)議。我們將學(xué)習(xí)UART相關(guān)發(fā)展歷史，通訊協(xié)議格式、通訊的優(yōu)缺點(diǎn)，以及通訊的具體過(guò)程。如果覺(jué)得不錯(cuò)，歡迎關(guān)注、分享、收藏、點(diǎn)贊。希望能幫助到大家，如有錯(cuò)誤敬請(qǐng)指出，謝謝！

 目錄

• 1 UART發(fā)展歷史
  • 1.1 早期的串行通訊設(shè)備
  • 1.2 早期的芯片級(jí)UART
  • 1.3 現(xiàn)代UART的發(fā)展
• 2 預(yù)備知識(shí)
• 3 協(xié)議層
  • 起始位
  • 數(shù)據(jù)
  • 校驗(yàn)位
  • 停止位
  • 波特率
• 4 傳輸過(guò)程
• 5 物理層
• 6 優(yōu)缺點(diǎn)

1 UART發(fā)展歷史

1.1 早期的串行通訊設(shè)備

早期的電報(bào)機(jī)器使用長(zhǎng)度可變的脈沖信號(hào)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，比如摩斯電碼；

摩斯電碼

后來(lái)電傳打印機(jī)（teleprinters ）普遍使用5、6、7或8個(gè)數(shù)據(jù)位來(lái)表示各種字符編碼，最終成為計(jì)算機(jī)外圍設(shè)備。電傳打字機(jī)（ teletypewriter 簡(jiǎn)稱(chēng) tty）成為小型計(jì)算機(jī)十分出色的通用I/O設(shè)備。

Teletypewritter

由于歷史的發(fā)展原因，早期在Unix終端是一個(gè)名字為ASR33的電傳打字機(jī)，而電傳打字機(jī)的英文單詞為Teletype（或Teletypewritter），縮寫(xiě)為tty。因此，終端設(shè)備也被稱(chēng)為tty設(shè)備。這就是TTY這個(gè)名稱(chēng)的來(lái)源。

1.2 早期的芯片級(jí)UART

DEC（Digital Equipment Corporation）公司的Gordon Bell 為該公司的PDP系列計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)了第一個(gè)UART，不過(guò)體積龐大，UART的線(xiàn)路占據(jù)了整個(gè)電路板；

后來(lái)DEC將串行線(xiàn)路單元的設(shè)計(jì)濃縮為早期的UART單芯片，以方便自己使用。

DEC公司Logo

DEC是美國(guó)一家計(jì)算機(jī)公司；

西部數(shù)據(jù)（Western Digital）公司在1971年左右將其開(kāi)發(fā)為第一個(gè)廣泛可用的UART單芯片 WD1402A。這是中型集成電路的早期產(chǎn)品。

Western Digital是美國(guó)計(jì)算機(jī)硬盤(pán)驅(qū)動(dòng)器制造商和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)公司。

1.3 現(xiàn)代UART的發(fā)展

2000年代開(kāi)始，大多數(shù)IBM或者相關(guān)的計(jì)算機(jī)都刪除了其外部RS232的COM端口，將其替換為帶寬性能更加出色的USB端口；

早期帶RS232的PC

對(duì)于仍然需要RS-232串行COM端口的用戶(hù)，現(xiàn)在通常使用外部USB轉(zhuǎn)UART轉(zhuǎn)換器，常見(jiàn)的有CH340，Silicon Labs 210x的驅(qū)動(dòng)程序，現(xiàn)在很多處理器和芯片都內(nèi)置了UART。

2 預(yù)備知識(shí)

通用異步收發(fā)傳輸器（Universal Asynchronous Receiver/Transmitter，通常稱(chēng)為UART），在UART通信中，兩個(gè)UART直接通信。

發(fā)送端的UART將來(lái)自控制設(shè)備（如CPU）的并行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為串行數(shù)據(jù)，以串行方式將其發(fā)送到接收端的UART，然后由接收端的UART將串行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為并行數(shù)據(jù)以用于接收設(shè)備的正常處理。

這里只需要兩條線(xiàn)RX/TX即可在兩個(gè)UART之間傳輸數(shù)據(jù)。具體如下圖所示；

3 協(xié)議層

UART傳輸?shù)臄?shù)據(jù)被封裝成數(shù)據(jù)包。每個(gè)數(shù)據(jù)包包含1個(gè)起始位，5~9個(gè)數(shù)據(jù)位（取決于UART的具體設(shè)置），一個(gè)可選的奇偶校驗(yàn)位以及1個(gè)或2個(gè)停止位，具體如下圖所示；

在這里插入圖片描述

起始位

UART數(shù)據(jù)傳輸線(xiàn)通常在不傳輸數(shù)據(jù)時(shí)保持在高電平。

為了開(kāi)始數(shù)據(jù)傳輸，發(fā)送端UART在一個(gè)時(shí)鐘周期內(nèi)將傳輸線(xiàn)從高電平拉低到低電平。

當(dāng)接收端UART檢測(cè)到高電壓到低電壓轉(zhuǎn)換時(shí)，它開(kāi)始以波特率的頻率讀取數(shù)據(jù)位中的每一位數(shù)據(jù)。

數(shù)據(jù)

數(shù)據(jù)位包含正在傳輸?shù)?strong>實(shí)際數(shù)據(jù)。如果使用奇偶校驗(yàn)位，則可以是5位，最多8位。如果不使用奇偶校驗(yàn)位，則數(shù)據(jù)幀的長(zhǎng)度可以為9位。

在大多數(shù)情況下，數(shù)據(jù)首先以低有效位發(fā)送。

校驗(yàn)位

在串口通信中一種簡(jiǎn)單的檢錯(cuò)方式。

有四種檢錯(cuò)方式：偶校驗(yàn)、奇校驗(yàn)、高校驗(yàn)和低校驗(yàn)。當(dāng)然沒(méi)有校驗(yàn)位也是可以的。

對(duì)于偶和奇校驗(yàn)的情況，串口會(huì)設(shè)置校驗(yàn)位（數(shù)據(jù)位后面的一位），用一個(gè)值確保傳輸?shù)臄?shù)據(jù)有偶個(gè)或者奇?zhèn)€邏輯高位。

舉個(gè)例子，如果數(shù)據(jù)是011，則滿(mǎn)足；

偶校驗(yàn)，校驗(yàn)位為0，保證邏輯高的位數(shù)是偶數(shù)個(gè)。

奇校驗(yàn)，校驗(yàn)位為1，這樣就有3個(gè)邏輯高位。

具體如下圖所示；

高位和低位不是真正的檢查數(shù)據(jù)，而是強(qiáng)行將校驗(yàn)位設(shè)置為邏輯高或者邏輯低。這樣使得接收設(shè)備能夠知道一個(gè)位的狀態(tài)，有機(jī)會(huì)判斷是否有噪聲干擾了通信或者是否傳輸和接收數(shù)據(jù)是否不同步。

停止位

發(fā)送端UART將數(shù)據(jù)傳輸線(xiàn)從低電壓驅(qū)動(dòng)到高電壓至少持續(xù)兩位數(shù)據(jù)的時(shí)間寬度來(lái)表示整個(gè)數(shù)據(jù)包的傳輸已經(jīng)結(jié)束。

由于數(shù)據(jù)是在傳輸線(xiàn)上定時(shí)的，并且每一個(gè)設(shè)備有其自己的時(shí)鐘，很可能在通信中兩臺(tái)設(shè)備間出現(xiàn)了小小的不同步。因此停止位不僅僅是表示傳輸?shù)慕Y(jié)束，并且提供計(jì)算機(jī)校正時(shí)鐘同步的機(jī)會(huì)。適用于停止位的位數(shù)越多，不同時(shí)鐘同步的容錯(cuò)性越好，但是數(shù)據(jù)傳輸率同時(shí)也越慢。

波特率

波特率是串口數(shù)據(jù)的傳輸速度，即Bit/s，常見(jiàn)的波特率有：9600，19200，38400，57600，115200，當(dāng)然還有很多波特率，不再一一給出；

假設(shè)目前UART的配置為，1個(gè)起始位，8個(gè)數(shù)據(jù)位，0個(gè)校驗(yàn)位，1個(gè)停止位，那么9600的波特率，可以計(jì)算出每一位數(shù)據(jù)的時(shí)間寬度為：

那么傳輸一個(gè)字節(jié)（也就是10 bit 數(shù)據(jù)）需要的時(shí)間為 1.04 毫秒。

下面用串口抓取了UART的TX上的信號(hào)，其中一位數(shù)據(jù)的時(shí)間寬度為26微秒，具體如下圖所示；

則可以簡(jiǎn)單計(jì)算得到；

因此波特率大概為 38400；

下表是各個(gè)波特率下數(shù)據(jù)位時(shí)間寬度；

4 傳輸過(guò)程

發(fā)送端UART從數(shù)據(jù)總線(xiàn)轉(zhuǎn)換并行數(shù)據(jù)：

發(fā)送端UART將起始位，奇偶校驗(yàn)位和停止位添加到數(shù)據(jù)包中：

整個(gè)數(shù)據(jù)包從發(fā)送端UART串行發(fā)送到接收端UART；接收端UART按照預(yù)先配置好的波特率對(duì)數(shù)據(jù)線(xiàn)進(jìn)行采樣：

接收端UART解析接收的數(shù)據(jù)，丟棄數(shù)據(jù)包中的起始位，奇偶校驗(yàn)位和停止位：

接收UART將串行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換回并行數(shù)據(jù)，并將其傳輸?shù)浇邮斩说臄?shù)據(jù)總線(xiàn)：

5 物理層

UART、RS232、RS485在串口通信中，主要區(qū)別是電平的不同，其中UART通常使用TTL電平，下面介紹這幾個(gè)存在的差異；

TTL

TTL全名是晶體管-晶體管邏輯集成電路(Transistor-Transistor Logic)

• 輸入高電平最小2V，輸出高電平最小2.4V，典型值3.4V；

• 輸入低電平最大0.8V，輸出低電平最大0.4V，典型值0.2V。

RS232

RS232 邏輯1電平(MARK)=-3V～-15V，邏輯0電平(SPACE)=+3～+15V；

同樣的，對(duì)于傳輸數(shù)據(jù)0x55，即二進(jìn)制的01010101，RS232和TTL的區(qū)別如下；

RS485

RS485是差分信號(hào)進(jìn)行串行傳輸；

• 邏輯1以?xún)删€(xiàn)間的電壓差為+(2~6)V表示；
• 邏輯"0"以?xún)删€(xiàn)間的電壓差為-(2~6)V表示；

在工業(yè)通信中，使用RS485比較多，因?yàn)镽S485是差分信號(hào)，可以抑制共模干擾，因此在惡劣的環(huán)境中擁有很好的抗干擾性，比較穩(wěn)定；

6 優(yōu)缺點(diǎn)

沒(méi)有任何通信協(xié)議是完美的，以下是UART的一些利弊，可幫助您確定它們是否適合您的項(xiàng)目需求：

優(yōu)點(diǎn)

• 通信只需要兩條數(shù)據(jù)線(xiàn)；
• 無(wú)需時(shí)鐘信號(hào)；
• 有奇偶校驗(yàn)位，方便通信的差錯(cuò)檢查；
• 只需要接收端和發(fā)送端設(shè)置好數(shù)據(jù)包結(jié)構(gòu)，即可穩(wěn)定通信；

缺點(diǎn)

• 數(shù)據(jù)幀最大支持9位數(shù)據(jù)；
• 不支持多主機(jī)或多從機(jī)的主從系統(tǒng)；

7 總結(jié)

本文主要介紹UART的入門(mén)基礎(chǔ)知識(shí)，從UART的發(fā)展歷史，通訊協(xié)議層進(jìn)行了簡(jiǎn)單介紹；作者能力有限，難免存在錯(cuò)誤和紕漏，請(qǐng)大佬不吝賜教。