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技術(shù)專(zhuān)題
串行通信協(xié)議-第二部分：UART
串行通信協(xié)議-第二部分：UART
我們將研究流行的UART器件。它不是通信協(xié)議，而是微控制器或獨(dú)立IC中用于傳輸和接收串行數(shù)據(jù)的物理電路。它支持我們撰寫(xiě)的系列文章，以介紹一些可用的不同類(lèi)型的串行通信協(xié)議。
串行通信是在諸如微控制器，產(chǎn)生數(shù)據(jù)的外圍設(shè)備和其他智能設(shè)備之類(lèi)的設(shè)備之間傳輸信息的理想機(jī)制。我們希望您下次設(shè)計(jì)需要結(jié)合串行通信總線時(shí)，會(huì)發(fā)現(xiàn)此資源非常寶貴。UART通常也稱為設(shè)備上的串行端口。但是，這通常會(huì)與另一種使用DB9樣式連接器并使用RS-232作為硬件協(xié)議的串行端口混淆。將UART連接到RS-232收發(fā)器是很常見(jiàn)的，以使微控制器上的UART外設(shè)與基于RS-232的設(shè)備相互通信。
UART代表通用異步接收器發(fā)送器。該通信系統(tǒng)需要除接地以外的兩個(gè)引腳。一個(gè)標(biāo)記為TX（發(fā)送器），另一個(gè)標(biāo)記為RX（接收器）。名稱中出現(xiàn)異步一詞意味著它不需要時(shí)鐘信號(hào)。由于沒(méi)有時(shí)鐘，因此發(fā)送和接收設(shè)備必須使用相同的波特率。
波特率（Bd）是傳輸速率的度量單位。此參數(shù)確定發(fā)送器和接收器的數(shù)據(jù)通道上的通信速度。波特率可以表示為每秒位數(shù)，以使其更簡(jiǎn)單。因此，速率為1000 Bd意味著通信速度為每秒1000位，或者一位的持續(xù)時(shí)間為1/1000秒或1毫秒。波特率具有標(biāo)準(zhǔn)度量標(biāo)準(zhǔn)前綴，例如kBd（千比特），MBd（兆比特）或GBd（千兆比特）。波特率包括消息的非數(shù)據(jù)部分，例如開(kāi)始和停止位，這意味著從發(fā)送器發(fā)送到接收器的有用信息的發(fā)送率將略低。
一些更流行的預(yù)定義UART波特率包括：
110波特
300波特
1200波特
4800波特
9600波特
19200波特
38400波特
115200波特
有時(shí)，兩個(gè)通信設(shè)備的波特率都可以調(diào)整，而有時(shí)，其中一個(gè)設(shè)備將具有固定的波特率，要求另一個(gè)更改與之匹配。
因此，要使用UART連接兩個(gè)設(shè)備，發(fā)送器TX引腳應(yīng)連接到接收器RX引腳
在某些配置下，兩個(gè)設(shè)備上都將具有RX和TX引腳，從而使您可以將命令從微控制器發(fā)送到專(zhuān)用IC，并從另一個(gè)方向接收命令或信息。這稱為雙工連接。當(dāng)不需要第二設(shè)備的反饋時(shí)，也有一些應(yīng)用。因此，通信只需要一個(gè)方向。因此，僅需要一條TX到RX傳輸線。這稱為單純形連接。
發(fā)送設(shè)備將需要發(fā)送一個(gè)起始位，以啟動(dòng)從該設(shè)備到接收設(shè)備的通信。該位通知接收設(shè)備通信已經(jīng)開(kāi)始。
然后，將數(shù)據(jù)位作為代表實(shí)際數(shù)據(jù)的八位流發(fā)送，其中最高有效位（MSB）標(biāo)記為D7，最低有效位（LSB）標(biāo)記為D0。
然后，在這些數(shù)據(jù)位的末尾，發(fā)送器發(fā)送一個(gè)停止位（表明這是消息的末尾），并將UART總線置于其空閑模式。
在這種情況下，我們可以看到；完整的UART消息將由10位組成。在空閑模式下，UART總線被拉高，它發(fā)送一個(gè)開(kāi)始位，該開(kāi)始位為低，然后是8個(gè)數(shù)據(jù)位，然后是停止位。停止位不限于僅僅一位。它可以有多種配置，具體取決于通信速率有多快。這種配置意味著整個(gè)消息位設(shè)置至少持續(xù)一次將總線信號(hào)電壓電平從低電平持續(xù)更改為高電平。
最高有效位D7也可以用作奇偶校驗(yàn)位。該位提供了基本的錯(cuò)誤檢查機(jī)制，該機(jī)制出現(xiàn)在通信的最小塊中。奇偶校驗(yàn)位可用于確保高位或一位的總數(shù)為奇數(shù)或偶數(shù)，具體取決于編碼。對(duì)于偶數(shù)奇偶校驗(yàn)，如果設(shè)置了數(shù)據(jù)位D0至D6，則它們由偶數(shù)個(gè)高位組成，則奇偶校驗(yàn)位設(shè)置為0（低）。相反，如果這組位的高位數(shù)量不均勻，則奇偶校驗(yàn)位設(shè)置為1（高）。這確保了消息中高位的總數(shù)將是偶數(shù)。在奇偶校驗(yàn)檢查不均勻的情況下，如果將數(shù)據(jù)位D0至D6設(shè)置為由偶數(shù)個(gè)高位組成，則奇偶校驗(yàn)位將設(shè)置為1（高）。相反，如果這組位的高位數(shù)量不均勻，然后將奇偶校驗(yàn)位設(shè)置為0（低）。這樣可以確保消息中高位的總數(shù)為奇數(shù)。
因此，通過(guò)使用奇偶校驗(yàn)位，可以通過(guò)檢查設(shè)置的位來(lái)檢測(cè)錯(cuò)誤。假設(shè)包括奇偶校驗(yàn)位在內(nèi)的總位數(shù)設(shè)置為高是不正確的。在這種情況下，奇偶校驗(yàn)位允許接收器在傳輸期間檢測(cè)到錯(cuò)誤。但是，這種類(lèi)型的錯(cuò)誤保護(hù)無(wú)法糾正錯(cuò)誤，只能捕獲已發(fā)生的錯(cuò)誤，因?yàn)闊o(wú)法確定整個(gè)位集中的哪個(gè)位不正確。它只能檢測(cè)一位是否處于錯(cuò)誤狀態(tài)。如果總體奇偶校驗(yàn)最終正確，則可能無(wú)法檢測(cè)到影響多個(gè)位的任何錯(cuò)誤。
如果檢測(cè)到奇偶校驗(yàn)錯(cuò)誤，則必須丟棄整個(gè)消息并從頭開(kāi)始重新傳輸。在高干擾或高噪聲水平的情況下，可能需要花費(fèi)大量時(shí)間才能成功傳輸。但是，它有助于防止消息錯(cuò)誤。
除此之外，UART通信的接收和發(fā)送端必須使用完全相同的波特率和字符長(zhǎng)度，奇偶校驗(yàn)機(jī)制以及停止位配置，才能成功進(jìn)行通信。
UART還有一個(gè)變體，稱為USART。這是通用同步異步接收器發(fā)送器。當(dāng)為數(shù)據(jù)計(jì)時(shí)時(shí)，它既可以充當(dāng)異步通道（就像UART），又可以充當(dāng)同步通道。時(shí)鐘可以從數(shù)據(jù)本身恢復(fù)，也可以作為單獨(dú)的外部信號(hào)發(fā)送。
在同步模式下使用USART時(shí)，不需要啟動(dòng)和停止位。由于位時(shí)序具有時(shí)鐘參考，因此這允許通信在同步操作時(shí)使用更高的數(shù)據(jù)速率。因此，更多的位可用于數(shù)據(jù)而不是開(kāi)始/停止位。
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串口 |
ART |
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UART只需要一個(gè)數(shù)據(jù)信號(hào) |
USART同步模式需要數(shù)據(jù)和時(shí)鐘。 |
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在UART中，不必以固定速率傳輸數(shù)據(jù)。 |
在USART同步模式下，數(shù)據(jù)以固定速率傳輸。 |
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在UART中，通常一次只發(fā)送一個(gè)字節(jié)的數(shù)據(jù)。 |
在USART中，同步數(shù)據(jù)通常以數(shù)據(jù)塊的形式傳輸。 |
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在UART中，數(shù)據(jù)傳輸速度設(shè)置為特定值附近，例如4800、9600、38400 bps等。 |
在USART中，如果所有其他因素保持不變，則同步模式比異步模式允許更高的DTR（數(shù)據(jù)傳輸速率）。 |
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UART速度限制在115200 bps左右。 |
USART可以達(dá)到115 kbps以上的速率。 |
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全雙工通信：數(shù)據(jù)可以同時(shí)在兩個(gè)方向上發(fā)送。 |
半雙工通信：一次只能在一個(gè)方向上發(fā)送數(shù)據(jù)。 |
UART和USART的主要目的是將PC總線上的并行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為串行數(shù)據(jù)，可以使用串行驅(qū)動(dòng)器在符合串行通信協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)（例如RS-232或RS-485）的總線上傳輸串行數(shù)據(jù)。UART / USART和外部總線之間需要接口轉(zhuǎn)換器。然后，這允許該數(shù)據(jù)由相似的設(shè)備讀取，而這兩者不需要使用完全相同的串行數(shù)據(jù)格式。只要兩者之間的傳輸符合通用的受支持標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議，每個(gè)設(shè)備內(nèi)串行通信的實(shí)現(xiàn)就可以特定于該設(shè)備。
盡管UART在計(jì)算機(jī)市場(chǎng)上已被USB取代，但它們?nèi)詮V泛用于低成本設(shè)備中的串行通信。