前面的話

自從國慶長假被密密麻麻的紅色炸彈擊中之后，酒也沒少喝，最終喝到斷片進了醫(yī)院，身體恢復后終于更新了一篇基礎的UART，獻給剛好需要的您；

目錄

• 1 UART發(fā)展歷史

• 1.1 早期的串行通訊設備

• 1.2 早期的芯片級UART

• 1.3 現(xiàn)代UART的發(fā)展

• 2 預備知識

• 3 協(xié)議層

• 起始位

• 數(shù)據(jù)

• 校驗位

• 停止位

• 波特率

• 4 傳輸過程

• 5 物理層

• 6 優(yōu)缺點

  
  

1 UART發(fā)展歷史

1.1 早期的串行通訊設備

早期的電報機器使用長度可變的脈沖信號進行數(shù)據(jù)傳輸，比如摩斯電碼；

后來電傳打印機（teleprinters ）普遍使用5、6、7或8個數(shù)據(jù)位來表示各種字符編碼，最終成為計算機外圍設備。電傳打字機（ teletypewriter 簡稱 tty）成為小型計算機十分出色的通用I/O設備。

由于歷史的發(fā)展原因，早期在Unix終端是一個名字為ASR33的電傳打字機，而電傳打字機的英文單詞為Teletype（或Teletypewritter），縮寫為tty。因此，終端設備也被稱為tty設備。這就是TTY這個名稱的來源。

1.2 早期的芯片級UART

DEC（Digital Equipment Corporation）公司的Gordon Bell 為該公司的PDP系列計算機設計了第一個UART，不過體積龐大，UART的線路占據(jù)了整個電路板；

后來DEC將串行線路單元的設計濃縮為早期的UART單芯片，以方便自己使用。

DEC是美國一家計算機公司；

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

Western Digital是美國計算機硬盤驅動器制造商和數(shù)據(jù)存儲公司。

1.3 現(xiàn)代UART的發(fā)展

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

對于仍然需要RS-232串行COM端口的用戶，現(xiàn)在通常使用外部USB轉UART轉換器，常見的有CH340，Silicon Labs 210x的驅動程序，現(xiàn)在很多處理器和芯片都內置了UART。

2 預備知識

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

發(fā)送端的UART將來自控制設備（如CPU）的并行數(shù)據(jù)轉換為串行數(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)轉換為并行數(shù)據(jù)以用于接收設備的正常處理。

這里只需要兩條線RX/TX即可在兩個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。每個數(shù)據(jù)包包含1個起始位，5~9個數(shù)據(jù)位（取決于UART的具體設置），一個可選的奇偶校驗位以及1個或2個停止位，具體如下圖所示；

起始位

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

為了開始數(shù)據(jù)傳輸，發(fā)送端UART在一個時鐘周期內將傳輸線從高電平拉低到低電平。

當接收端UART檢測到高電壓到低電壓轉換時，它開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>實際數(shù)據(jù)。如果使用奇偶校驗位，則可以是5位，最多8位。如果不使用奇偶校驗位，則數(shù)據(jù)幀的長度可以為9位。

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

校驗位

在串口通信中一種簡單的檢錯方式。

有四種檢錯方式：偶校驗、奇校驗、高校驗和低校驗。當然沒有校驗位也是可以的。

對于偶和奇校驗的情況，串口會設置校驗位（數(shù)據(jù)位后面的一位），用一個值確保傳輸?shù)臄?shù)據(jù)有偶個或者奇?zhèn)€邏輯高位。

舉個例子，如果數(shù)據(jù)是011，則滿足；

偶校驗，校驗位為0，保證邏輯高的位數(shù)是偶數(shù)個。

奇校驗，校驗位為1，這樣就有3個邏輯高位。

具體如下圖所示；

高位和低位不是真正的檢查數(shù)據(jù)，而是強行將校驗位設置為邏輯高或者邏輯低。這樣使得接收設備能夠知道一個位的狀態(tài)，有機會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)傳輸線從低電壓驅動到高電壓至少持續(xù)兩位數(shù)據(jù)的時間寬度來表示整個數(shù)據(jù)包的傳輸已經(jīng)結束。

由于數(shù)據(jù)是在傳輸線上定時的，并且每一個設備有其自己的時鐘，很可能在通信中兩臺設備間出現(xiàn)了小小的不同步。因此停止位不僅僅是表示傳輸?shù)慕Y束，并且提供計算機校正時鐘同步的機會。適用于停止位的位數(shù)越多，不同時鐘同步的容錯性越好，但是數(shù)據(jù)傳輸率同時也越慢。

波特率

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

假設目前UART的配置為，1個起始位，8個數(shù)據(jù)位，0個校驗位，1個停止位，那么9600的波特率，可以計算出每一位數(shù)據(jù)的時間寬度為：

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

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

則可以簡單計算得到；

因此波特率大概為 38400；

下表是各個波特率下數(shù)據(jù)位時間寬度；

4 傳輸過程

發(fā)送端UART從數(shù)據(jù)總線轉換并行數(shù)據(jù)：

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

整個數(shù)據(jù)包從發(fā)送端UART串行發(fā)送到接收端UART；接收端UART按照預先配置好的波特率對數(shù)據(jù)線進行采樣：

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，奇偶校驗位和停止位：

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

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，對于傳輸數(shù)據(jù)0x55，即二進制的01010101，RS232和TTL的區(qū)別如下；

RS485

RS485是差分信號進行串行傳輸；

• 邏輯1以兩線間的電壓差為 +(2~6)V表示；
• 邏輯"0"以兩線間的電壓差為 -(2~6)V表示；

在工業(yè)通信中，使用RS485比較多，因為RS485是差分信號，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

沒有任何通信協(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目需求：

優(yōu)點

• 通信只需要兩條數(shù)據(jù)線；
• 無需時鐘信號；
• 有奇偶校驗位，方便通信的差錯檢查；
• 只需要接收端和發(fā)送端設置好數(shù)據(jù)包結構，即可穩(wěn)定通信；

缺點

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