001_通信\003_UART

1. UART基本知识
   1. 异步通信和同步通信
   2. 数据串行和并行通信方式
   3. UART介绍
   4. UART通信协议
   5. UART基本结构
   6. UART接口标准
      1. TTL标准
      2. RS232标准
      3. RS485/RS422标准
2. UART具体实现
3. 踩过的坑

1.UART基础知识

1.1异步通信和同步通信

    首先说同步通信。在发送数据信号的时候，会同时送出一根同步时钟信号， 用来同步发送方和接收方的数据采样频率。如下图所示，同步通信时，信号线1是一根同步时钟信号线，以固定的频率进行电平的切换，其频率周期为t，在每个电平的上升沿之后进行对同步送出的数据信号线2进行采样（高电平代表1，低电平代表0），根据采样数据电平高低取得输出数据信息。如果双方没有同步时钟的话，那么接收方就不知道采样周期，也就不能正常的取得数据信息。

    然后是异步通信。在异步通信技术中，数据发送方和数据接收方没有同步时钟，只有数据信号线，只不过发送端和接收端会按照协商好的协议（固定频率）来进行数据采样。数据发送方以每秒钟57600bits的速度发送数据，接收方也以57600bits的速度去接收数据，这样就可以保证数据的有效和正确。通常异步通信中使用波特率（Baud-Rate）来规定双方传输速度，其单位为bps（bits per second每秒传输位数）。

1.2数据串行和并行通信方式

    串行通信好比是一列纵队，每个数据元素依次纵向排列。如图2-57所示，传输时一个比特一个比特的串行传输，每个时钟周期传输一个比特，这种传输方式相对比较简单，速度较慢，但是使用总线数较少，通常一根接收线，一根发送线即可实现串行通信。它的缺点是要增加额外的数据来控制一个数据帧的开始和结束。

    并行通信好比一排横队，齐头并进同时传输。这种通信方式每个时钟周期传输的数据量和其总线宽度成正比，但是实现较为复杂。UART通信采用的是串行方式进行通信的。

1.3UART介绍

    通用异步收发传输器（Universal Asynchronous Receiver/Transmitter)，通常称作UART，是一种异步收发传输器，是电脑硬件的一部分。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。UART通常是嵌入式设备中默认都会配置的通信接口。这是因为，很多嵌入式设备没有显示屏，无法获得嵌入式设备实时数据信息，通过UART串口和超级终端相连，打印嵌入式设备输出信息。并且在对嵌入式系统进行跟踪和调试时，UART串口了是必要的通信手段。比如：网络路由器，交换机等都要通过串口来进行配置。UART串口还是许多硬件数据输出的主要接口，如GPS接收器就是通过UART串口输出GPS接收数据的。

    UART是一种通用串行数据总线，用于异步通信。该总线双向通信，可以实现全双工传输和接收。在嵌入式设备中，UART用于主机和辅助设备通信，如汽车音响和外接AP之间的通信。与PC机通信包括与监控调试器和其它器件，如EEPROM通信。

1.4UART通信协议

    UART作为异步通信协议的一种，工作原理是将传输数据的每个字符一位接一位地传输。通信两个字符间的时间间隔多少是不固定的，然而在同一个字符中的两个相邻位间的时间间隔是固定的。数据传输速率是用波特率来表示，即每秒钟传送的二进制位数。例如数据传输速率为120字符/秒，而每一个字符为10位（1个起始位，7个数据位，1个校验位，1个结束位），则其传输的速率为10*120=1200bps（注1Bps = 8bps）。

         其中各位的意义如下：

    起始位：先发出一个逻辑“0”的信号，表示传输字符的开始。

    数据位：紧接着起始位之后。数据位的个数可以是4、5、6、7、8等，构成一个字符。通常采用ASCII码。从最低位开始传送，靠时钟定位。

    奇偶检验位：数据位加上这一位后，使得“1”的位数应为偶数（偶校验）或奇数（奇校验），以此来校验数据传送的正确性。

    停止位：它是一个字符数据的结束标志。可以是1位、1.5位、2位的高电平。由于数据实在传输线上定时的，并且每一个设备有其自己的时钟，很可能在通信中两台设备间出现了小小的不同步。因此停止位不仅仅是表示传输的结束，并且提供计算机校正时钟同步的机会。适用于停止位的位数越多，不同时钟同步的容忍程度越大，但是数据传输速率同时也越慢。

    空闲位：处于逻辑“1”的状态，表示当前线路上没有资料传送。

    波特率：是衡量资料传送速率的指标。表示每秒钟传送的符号数（symbol）。一个符号代表的信息量（比特数）与符号的阶数有关。例如数据传送速率为120字符/秒，传输使用256阶符号，每个符号代表8bit，则波特率就是120baud，比特率是120*8=960bit/s。这两者的概率很容易搞错。

    注：异步通信是按字符传输的，接收设备在收到起始信号之后只要在一个字符的传输时间内和发送设备保持同步就能正确接收。下一个字符起始位的到来又使同步重新校准（依靠检测起始位来实现发送与接收方的时钟同步的）。

1.5UART基本结构

     UART的设计采用模块化的设计思想，主要分为3个模块：数据发送模块、数据接收模块以及波特率发生器控制模块。发送模块实现数据由并行输入到串行输出，接收模块实现数据由串行输入到并行输出，波特率发生器模块控制产生UART时钟频率。

    从下图中可以看出UART主要由数据总线接口、控制逻辑、波特率发生器、发送部分和接收部分组成且控制逻辑一般是由MP即微处理器模块实现，图中的对象器件一般指和CPU进行通信的外围串行通信设备类打印机等。

    基本结构由以下构成：

    1.输出缓冲寄存器，它接收CPU从数据总线上送来的并行数据，并加以保存。

    2.输出移位寄存器，它接收从输出缓冲器送来的并行数据，以发送时钟的速率把数据逐位移出，即将并行数据转换为串行数据输出。

    3.输入移位寄存器，它以接收时钟的速率把出现在串行数据输入线上的数据逐位移入，当数据装满后，并行送往输入缓冲寄存器，即将串行数据转换成并行数据。

    4.输入缓冲寄存器，它从输入移位寄存器中接收并行数据，然后由CPU取走。

    5.控制寄存器，它接收CPU送来的控制字，由控制字的内容，决定通信时的传输方式以及数据格式等。例如采用异步方式还是同步方式，数据字符的位数，有无奇偶校验，是奇校验还是偶校验，停止位的位数等参数。

    6.状态寄存器。状态寄存器中存放着接口的各种状态信息，例如输出缓冲区是否空，输入字符是否准备好等。在通信过程中，当符合某种状态时，接口中的状态检测逻辑将状态寄存器的相应位置“1”，以便让CPU查询。

1.6UART接口标准

1.6.1TTL标准

1.6.2RS232标准

    RS-232是美国电子工业协会EIA（Electronic Industry Association）制定的一种串行物理接口标准。RS是英文“推荐标准”的缩写，232为标识号。RS-232是对电气特性以及物理特性的规定，只作用于数据的传输通路上，它并不内含对数据的处理方式。需要说明一下,很多人经常把RS-232、RS-422、RS-485 误称为通讯协议,这是很不应该的，其实它们仅是关于UART通讯的一个机械和电气接口标准（顶多是网络协议中的物理层面）。

    该标准规定采用一个25 个脚的DB-25 连接器，对连接器的每个引脚的信号内容加以规定，还对各种信号的电平加以规定。后来IBM的PC 机将RS-232 简化成了DB-9 连接器，从而成为今天的事实标准。而工业控制的RS-232 口一般只使用RXD（2）、TXD（3）、GND（5） 三条线。

    早期由于PC都带有RS-232接口，所以我们需要使用UART时，都选择RS-232。但是现在个人电脑，不光是笔记本，包括台式机都不再带有RS-232的接口，大家看到电脑主板上面没有DB9的接口。所以现在开发板都选择TTL的UART，或者直接UART转USB做在开发板上。

    嵌入式里面说的串口，一般是指UART口， 但是我们经常搞不清楚它和COM口的区别, 以及RS232, TTL等关系, 实际上UART,COM指的物理接口形式(硬件), 而TTL、RS-232是指的电平标准(电信号).

    UART有4个pin（VCC, GND, RX, TX）, 用的TTL电平, 低电平为0(0V)，高电平为1（3.3V或以上）。

1.6.3RS485/RS422标准

    RS-232接口可以实现点对点的通信方式，但这种方式不能实现联网功能。于是，为了解决这个问题，一个新的标准RS-485产生了。RS-485的数据信号采用差分传输方式，也称作平衡传输，它使用一对双绞线，将其中一线定义为A，另一线定义为B。

    通常情况下，发送驱动器A、B之间的正电平在+2～+6V，是一个逻辑状态，负电平在-2～6V，是另一个逻辑状态。另有一个信号地C，在RS-485中还有一“使能”端，而在RS-422中这是可用可不用的。

    RS-422 的电气性能与RS-485完全一样。主要的区别在于：RS-422 有4 根信号线：两根发送、两根接收。由于RS-422 的收与发是分开的所以可以同时收和发（全双工），也正因为全双工要求收发要有单独的信道，所以RS-422适用于两个站之间通信，星型网、环网，不可用于总线网；RS-485 只有2 根信号线，所以只能工作在半双工模式，常用于总线网。

    RS-485的电气特性：逻辑“1”以两线间的电压差为+(2~6)V表示；逻辑“0”以两线间的电压差为-(2~6)V表示。接口信号电平比RS-232-C降低了，就不易损坏接口电路的芯片，且该电平与TTL电平兼容，可方便与TTL 电路连接。

    RS-485的数据最高传输速率为10Mbps 。

    RS-485接口是采用平衡驱动器和差分接收器的组合，抗共模干扰能力增强，即抗噪声干扰性好。

    RS-485最大的通信距离约为1219M，最大传输速率为10Mb/S，传输速率与传输距离成反比，在100Kb/S的传输速率下，才可以达到最大的通信距离，如果需传输更长的距离，需要加485中继器。RS-485总线一般最大支持32个节点，如果使用特制的485芯片，可以达到128个或者256个节点，最大的可以支持到400个节点