UART基础知识

一.UART简介
二.UART通信工作原理
-2.1.UART数据包
-2.2.UART通信数据传输步骤
三.UART编程要点
-3.1.UART初始化函数
-3.2.UART数据发送函数
-3.3.UART数据接收函数
四.UART的优缺点
-4.1.UART的优点
-4.2.UART的缺点
五.UART的典型应用
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# UART基础知识

## 一.UART简介<a name="UART简介"></a>

UART：Universal Asynchronous Receiver/Transmitter，通用异步接收器/发送器，是一种常见的通用通信协议，UART是各种计算设备之间通信的常用通信手段，平时所说的串口一般就是指的UART。如下图所示，计算设备1经由UART1发送数据给计算设备2的UART2。

![](images/2023-09-17-17-19-08-image.png)

在UART通信中，两个UART相互通信。发送UART将计算设备的并行数据转换为串行形式，以串行方式将其发送到接收UART。只需要两根线就可以在两个UART之间传输数据，数据从发送UART的Tx引脚流到接收UART的Rx引脚。

![](images/2023-09-17-19-47-57-image.png)

UART属于异步通信，没有时钟信号，取而代之的是在数据包中添加了起始位和停止位。这些位定义了数据包的开始和结束，因此接收UART知道何时读取这些数据。

当接收UART检测到起始位时，它将以预设波特率的频率读取数据。两个UART必须以相似的波特率工作，发送和接收UART之间的波特率相差最多不能超过10%。

## 二.UART通信工作原理<a name="UART通信工作原理"></a>

### 2.1.UART数据包<a name="UART数据包"></a>

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（可选）和一个停止位（1位或2位）来组成数据包并从Tx引脚逐位串行输出，接收UART在其Rx引脚上逐位读取数据包。

![](images/2023-09-17-17-19-08-image.png)

UART数据包含有1个起始位，5至9个数据位（取决于UART设置），一个可选的奇偶校验位以及1个或2个停止位。

![](images/2023-09-17-18-57-15-image.png)

**1.起始位**

UART数据传输线通常在不传输数据时保持在高电压电平。开始传输时发送UART在一个时钟周期内将传输线从高电平拉低到低电平，当接收UART检测到高电压到低电压转换时，它开始以预设波特率的频率读取数据帧中的位。

**2.数据帧**

数据帧内包含正在传输的实际数据。如果使用奇偶校验位，则数据帧可以是5至8位。如果不使用奇偶校验位，则数据帧可以是5至9位。

**3.校验位**

奇偶校验位是接收UART判断传输期间是否有任何数据更改的方式。接收UART读取数据帧后，它将对值为1的位数进行计数，并检查总数是偶数还是奇数，是否与数据相匹配。

**4.停止位**

为了向数据包的结尾发出信号，发送UART将数据传输线从低电压驱动到高电压至少持续两位时间。

### 2.2.UART通信数据传输步骤<a name="UART通信数据传输步骤"></a>

UART通信数据传输步骤如下：

1.发送UART从数据总线并行接收数据。

![](images/2023-09-17-19-47-27-image.png)

2.发送UART将起始位、奇偶校验位（可选）和停止位添加到数据帧。

![](images/2023-09-17-19-47-01-image.png)

3.整个数据包从发送UART串行发送到接收UART。接收UART以预先配置的波特率对数据线进行采样：

![](images/2023-09-17-19-46-35-image.png)

4.接收UART丢失数据中的起始位、奇偶校验位和停止位。

![](images/2023-09-17-19-51-30-image.png)

5.接收UART将串行数据转换为并行数据，并将其传输到接收端的数据总线。

![](images/2023-09-17-19-53-31-image.png)

## 三.UART编程要点<a name="UART编程要点"></a>

对UART进行编程，即开发UART驱动。UART驱动通常需要至少三个函数：UART初始化函数、UART数据发送函数与UART数据接收函数。

### 3.1.UART初始化函数<a name="UART初始化函数"></a>

UART初始化函数用来初始化UART，通常在初始化任务中调用，UART初始化函数的编程要点：

1. UART波特率，常见的波特率有4800、9600、19200、115200等。

2. 数据帧位数，如果使用奇偶校验位，则数据帧可以是5至8位。如果不使用奇偶校验位，则数据帧可以是5至9位。

3. 奇偶校验，可以使用或者不使用奇偶校验。

4. 停止位，停止位可以是1个位或者2个位。

5. 中断使能位，通常UART包含两种中断，发送中断（数据发送完成时产生发送中断）与接收中断（接收到数据时产生接收中断），可以开启或者禁止中断使能位。

### 3.2.UART数据发送函数<a name="UART数据发送函数"></a>

UART数据发送函数用来发送数据，通常在周期性任务中调用，UART数据发送函数的编程要点：

1. 作为发送函数，需要一个参数存放待发送的数据，数据类型可以是uint8（最多发8位数据）或者uint16（可以发9位数据）。

2. 在发送数据之前，首先需要检查上一次的数据是否已经发送完成。如果上一次的发送数据还未发送完成，则需要等待一段时间再检查。如果上一次的数据已经发送完成，则可以往数据寄存器中写入本次待发送的数据。

3. 因为UART的波特率较低，发送比较费时，为了防止函数锁死，通常数据发送函数需要一个超时参数，当等待的时间超过这个参数时，函数返回超时状态。如果在超时参数以内写完数据寄存器，则返回写入成功状态。

4. UART发送函数通常是非阻塞式的，即发送函数写完数据寄存器立刻返回，而不是等待到数据发送完成后再返回，因为UART的波特率较低，发送比较费时。如果需要获取发送状态的话，通常是利用发送中断（数据发送完成时产生发送中断）。

### 3.3.UART数据接收函数<a name="UART数据接收函数"></a>

UART数据接收函数用来接收数据，通常在周期性任务中（或者在接收中断服务函数中）调用，UART数据接收函数的编程要点：

1. 作为接收函数，需要一个参数存放待接收的数据，数据类型可以是uint8（最多收8位数据）或者uint16（可以收9位数据）数组或者指针。

2. 在读取数据寄存器之前，首先需要检查是否接收到数据。如果未接收到数据，则返回未接收到状态。如果接收到数据，则读取数据到参数中并返回接收成功状态。

3. 通常接收函数除了读取数据之外还需要手工清除接收数据标识符。当UART接收新的数据时，会自动置位接收数据标识符。

## 四.UART的优缺点<a name="UART的优缺点"></a>

任何一种通信方式都有优缺点，UART通信也不例外。

### 4.1.UART的优点<a name="UART的优点"></a>

- UART仅使用两根线，无需时钟信号。

- 具有奇偶校验位以允许进行错误检查。

- UART使用广泛，参考资料丰富。

### 4.2.UART的缺点<a name="UART的缺点"></a>

- UART数据帧的大小最大为9位，需要传输9位以上数据时比较繁琐。

- 不支持多个从属系统或多个主系统，有多个通信节点时组网比较麻烦。

## 五.UART的典型应用<a name="UART的典型应用"></a>

UART的典型应用有：

- 传感器，比如一些UART接口的压力传感器、温度传感器、加速度传感器等。

- 执行器，比如一些UART接口的步进电机、直流电机等。

- 计算设备之间通信，计算机与单片机之间可以通过UART通信，计算机与计算机之间也可以通过UART通信，单片机与单片机也可以通过UART通信。