一文带你看透UART总线的工作原理

还记得当年的打印机，鼠标和调制解调器吗？他们都有巨大笨重的连接器和粗电缆，并且必须拧到你的电脑上。这些设备正是使用 UART 协议与计算机进行通信。虽然 USB 几乎完全取代了旧的电缆和连接器，但 UART 绝对没有过时。您会发现目前许多项目中使用 UART 的 GPS 模块、蓝牙模块和 RFID 读卡器模块等连接到 Raspberry Pi，Arduino 或其他微控制器上。

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。

它不是像 SPI 和 I2C 这样的通信协议，而是微控制器中独立的物理电路或独立的 IC。

UART 最好的一点是它只使用两根线就可以在设备之间传输数据，UART 背后的原理很容易理解。

UART 通信简介

在 UART 通信中，两个 UART 直接相互通信。发送 UART 将来自 CPU 等控制设备的并行数据转换为串行形式，并将其串行发送到接收 UART，接收 UART 然后将串行数据转换回接收设备的并行数据。在两个 UART 之间传输数据只需要两根线。数据从发送 UART 的 Tx 引脚流向接收 UART 的 Rx 引脚：

UART 以异步方式发送数据，这意味着没有时钟信号将发送 UART 的位输出与接收 UART 的位采样同步。发送 UART 不是时钟信号，而是将开始和停止位添加到正在传输的数据包中。这些位定义数据包的开始和结束，因此接收 UART 知道何时开始读取位。

当接收 UART 检测到起始位时，它开始以称为波特率的特定频率读取输入位。波特率是数据传输速度的度量，以每秒位数（bps）表示。两个 UART 必须以大致相同的波特率运行。发送和接收 UART 之间的波特率只能相差 10％左右。

两个 UART 还必须配置为发送和接收相同的数据包结构。

UART 如何工作

UART 传输数据依靠的是 UART 总线，数据总线用于通过 CPU，存储器或微控制器等其他设备将数据发送到 UART。数据以并行形式从数据总线传输到发送 UART。在发送 UART 从数据总线获得并行数据之后，它将添加起始位，奇偶校验位和停止位，从而创建数据包。接下来，数据包在 Tx 引脚上逐位串行输出。UART 接收端则在其 Rx 引脚上逐位读取数据包。然后，接收 UART 将数据转换回并行形式，并删除起始位，奇偶校验位和停止位。最后，接收 UART 将数据包并行传输到接收端的数据总线：

UART 传输的数据被组织成数据包。每个数据包包含 1 个起始位，5 到 9 个数据位（取决于 UART），可选的奇偶校验位以及 1 或 2 个停止位：

开始位

当 UART 数据传输线不传输数据时，它通常保持在高电压电平。为了开始数据传输，发送 UART 将传输线从高电平拉至低电平一个时钟周期。当接收 UART 检测到高电压到低电压转换时，它开始以波特率的频率读取数据帧中的位。

数据框

数据框包含要传输的实际数据。如果使用奇偶校验位，则它可以是 5 位到 8 位长。如果不使用奇偶校验位，则数据帧可以是 9 位长。在大多数情况下，数据首先以最低有效位发送。

奇偶校验位

奇偶校验描述数字的均匀性或奇数。奇偶校验位是接收 UART 在传输过程中判断是否有任何数据发生变化的一种方法。电磁辐射、不匹配的波特率或长距离传输时，数据都有可能发生变化。接收 UART 读取数据帧后，它会计算值为 1 的位数，并检查总数是偶数还是奇数。如果奇偶校验位为 0（偶校验），则数据帧中的 1 位应总计为偶数。如果奇偶校验位是 1（奇校验），则数据帧中的 1 位应总计为奇数。当奇偶校验位与数据匹配时，UART 知道传输没有错误。但如果奇偶校验位为 0，然而 1 位应总计为奇数;或者奇偶校验位是 1，并且 1 位应总计是偶数，则数据帧中的位已经改变。

停止位

为了通知传输数据包的结束，UART 发送端会将数据传输线从低电压驱动至高电压至少两位持续时间。

UART 传输步骤

1. 发送 UART 从数据总线并行接收数据：

2. 发送 UART 将起始位，奇偶校验位和停止位添加到数据帧：

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：

4. 接收 UART 丢弃数据帧中的起始位，奇偶校验位和停止位：

5. 接收 UART 将串行数据转换回并行并将其传输到接收端的数据总线：

UART 的优点和缺点

没有任何一种通信协议是完美的，以下是一些优点和缺点，可帮助您确定它们是否符合您项目的需求：

优点

只使用两根电线

不需要时钟信号

有一个奇偶校验位

只要双方设置后，就可以改变数据包的结构

有完整的文档并且具有广泛的使用

缺点

数据帧的大小限制为最多 9 位

不支持多个从属或多个主系统

每个 UART 的波特率必须在 10％之内