UART(Universal Asynchronous Receiver/Transmitter，通用異步收發(fā)傳輸器)是一種廣泛使用的異步串行通信協(xié)議。它允許數(shù)據(jù)在發(fā)送端和接收端之間通過單根或多根線進(jìn)行傳輸，是許多嵌入式系統(tǒng)和計(jì)算機(jī)與外部設(shè)備通信的基礎(chǔ)。
UART通信的基本原理相對(duì)簡(jiǎn)單。在UART通信中，數(shù)據(jù)以位(bit)為單位進(jìn)行傳輸，每個(gè)位都有一個(gè)固定的時(shí)間長(zhǎng)度，這個(gè)時(shí)間長(zhǎng)度由波特率決定。UART通信通常包括三個(gè)主要部分：數(shù)據(jù)位、起始位和停止位。起始位用于通知接收端數(shù)據(jù)即將開始傳輸，數(shù)據(jù)位是實(shí)際要傳輸?shù)男畔ⅲＶ刮粍t用于表示數(shù)據(jù)已經(jīng)傳輸完畢。
UART(Universal Asynchronous Receiver/Transmitter，通用異步收發(fā)器)是一種常用的串行通信協(xié)議，廣泛應(yīng)用于單片機(jī)或各種嵌入式設(shè)備之間的通信。本文將詳細(xì)介紹UART通信的基本原理、工作模式、波特率計(jì)算以及常見使用方式，幫助有一定單片機(jī)開發(fā)能力的人群更好地理解和應(yīng)用UART通信。
一、UART通信的異步通信機(jī)制
UART通信是一種異步串行通信方式，其基本原理是通過數(shù)據(jù)線上傳輸二進(jìn)制數(shù)據(jù)位。UART通信系統(tǒng)主要由發(fā)送端和接收端兩部分組成，它們之間通過數(shù)據(jù)線進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。發(fā)送端將待發(fā)送的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為并行信號(hào)，然后通過驅(qū)動(dòng)電路將并行信號(hào)轉(zhuǎn)換為串行信號(hào)，并通過發(fā)送電路將串行信號(hào)發(fā)送到數(shù)據(jù)線上。接收端則通過接收電路將數(shù)據(jù)線上的信號(hào)還原為并行信號(hào)，再通過解碼電路將并行信號(hào)轉(zhuǎn)換為原始數(shù)據(jù)位。
UART通信采用異步通信方式，即發(fā)送端和接收端之間通過數(shù)據(jù)線進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。在異步通信中，發(fā)送端和接收端不需要同時(shí)處于激活狀態(tài)，而是通過起始位和停止位來標(biāo)識(shí)數(shù)據(jù)幀的開始和結(jié)束。具體來說，當(dāng)發(fā)送端產(chǎn)生起始位后，發(fā)送一個(gè)數(shù)據(jù)位;然后等待接收端的起始位，如果接收到起始位，則繼續(xù)發(fā)送下一個(gè)數(shù)據(jù)位;如果沒有接收到起始位，則認(rèn)為數(shù)據(jù)幀傳輸失敗。同樣，當(dāng)接收端產(chǎn)生停止位后，發(fā)送一個(gè)校驗(yàn)位;然后等待發(fā)送端的停止位，如果接收到停止位，則認(rèn)為數(shù)據(jù)幀傳輸成功。
二、UART的波特率
波特率表示單位時(shí)間內(nèi)通過線路傳輸?shù)亩M(jìn)制數(shù)據(jù)的位數(shù)，通常用bps(bits per second)表示。例如，如果波特率為9600bps，則每秒鐘可以傳輸9600個(gè)比特位的數(shù)據(jù)。
串口傳輸數(shù)據(jù)的波特率是單片機(jī)的時(shí)鐘系統(tǒng)來產(chǎn)生的，因此它和單片機(jī)的系統(tǒng)時(shí)鐘存在算式關(guān)系。
波特率= (16 * 時(shí)鐘頻率) / (32 * 采樣時(shí)間) + (1 * 時(shí)鐘頻率) / (32 * 采樣時(shí)間) - (1 * 時(shí)鐘頻率) / (64 * 采樣時(shí)間)
其中，采樣時(shí)間指從上一次起始位到本次起始位之間的時(shí)間間隔。例如，如果采樣時(shí)間為10ns，則波特率為9600bps。
常見的波特率有2400、4800、9600、19200、38400、57600、115200……它們都可是2400的整數(shù)倍，因此不同的波特率可以通過分頻器來產(chǎn)生。現(xiàn)在的單片機(jī)雖然都有著不同的頻率，常見的有32MHz、48MHz和144MHz，通常它們都會(huì)有一個(gè)外部系統(tǒng)時(shí)鐘為單片機(jī)的外圍設(shè)備提供基礎(chǔ)時(shí)鐘頻率(如1MHz)，UART產(chǎn)生波特率也是從該時(shí)鐘產(chǎn)生時(shí)鐘信號(hào)。
需要注意的是，在實(shí)際使用中，時(shí)鐘頻率可能會(huì)受到一些因素的影響，如晶振漂移、電源噪聲等。因此，為了保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)恼_性和可靠性，建議在設(shè)計(jì)UART通信系統(tǒng)時(shí)使用外部晶振或時(shí)鐘發(fā)生器，并對(duì)其進(jìn)行校準(zhǔn)和補(bǔ)償。
三、停止位和奇偶校驗(yàn)
在UART異步通信中，停止位用于表示數(shù)據(jù)幀的結(jié)束。停止位可以是1個(gè)或2個(gè)比特位。當(dāng)停止位為1個(gè)比特位時(shí)，每個(gè)數(shù)據(jù)字節(jié)的后面都添加一個(gè)額外的時(shí)間間隔，以補(bǔ)償時(shí)鐘抖動(dòng)和其他因素引起的誤差。例如，如果波特率為9600bps，則每個(gè)字節(jié)的時(shí)間間隔為4ms，因此每個(gè)停止位的時(shí)間間隔為4ms / 8 = 0.5ms。
當(dāng)停止位為2個(gè)比特位時(shí)，每個(gè)數(shù)據(jù)字節(jié)的后面都添加兩個(gè)額外的時(shí)間間隔，即每個(gè)字節(jié)的時(shí)間間隔為4ms / (8 + 4) = 0.3125ms。這種模式適用于需要更高精度的數(shù)據(jù)傳輸場(chǎng)景。
奇偶校驗(yàn)是一種常用的錯(cuò)誤檢測(cè)方法，可以檢測(cè)數(shù)據(jù)傳輸過程中的錯(cuò)誤和丟失。在UART通信中，可以通過設(shè)置奇偶校驗(yàn)位來提高數(shù)據(jù)傳輸?shù)恼_性和可靠性。
需要注意的是，奇偶校驗(yàn)位只能檢測(cè)數(shù)據(jù)傳輸過程中的錯(cuò)誤和丟失，而不能保證數(shù)據(jù)的完整性和正確性。因此，在使用UART通信時(shí)，還需要采取其他措施來確保數(shù)據(jù)傳輸?shù)恼_性和可靠性。
四、UART的輪詢收發(fā)和中斷收發(fā)
前面我們講過，UART通信就是把一個(gè)字節(jié)的數(shù)據(jù)拆分成若干bit位，然后一個(gè)bit一個(gè)bit的發(fā)送。當(dāng)一個(gè)字節(jié)的數(shù)據(jù)被送進(jìn)UART發(fā)送器后，這個(gè)字節(jié)被轉(zhuǎn)換成bit位，UART發(fā)送這個(gè)字節(jié)后還要產(chǎn)生停止位，此時(shí)UART發(fā)送器已經(jīng)空閑，可以繼續(xù)發(fā)送下一個(gè)字節(jié)。通常UART發(fā)送器發(fā)送完一個(gè)字節(jié)后會(huì)產(chǎn)生一個(gè)空閑狀態(tài)，輪詢式發(fā)送就是等待這個(gè)空閑狀態(tài)并發(fā)送下一個(gè)字節(jié)。UART接收也是如此，UART接收器收完一個(gè)字節(jié)并收到停止位信號(hào)時(shí)，就會(huì)向單片機(jī)的UART數(shù)據(jù)寄存器保存剛收到的數(shù)據(jù)，并產(chǎn)生一個(gè)收到標(biāo)志位，輪詢?cè)摌?biāo)志位就可以接收到該字節(jié)數(shù)據(jù)。
但是在單片機(jī)系統(tǒng)中經(jīng)常不止UART收發(fā)應(yīng)用，這時(shí)就要用到中斷收發(fā)。通常單片機(jī)的UART收發(fā)都有RX收到中斷和TX完畢中斷。中斷發(fā)送時(shí)，UART發(fā)送器是空閑狀態(tài)，此時(shí)往發(fā)送器里面寫入第一個(gè)字節(jié)，該字節(jié)傳輸完畢后產(chǎn)生TX完畢中斷，在TX完畢中斷的服務(wù)函數(shù)中再填入后續(xù)字節(jié)并產(chǎn)生下一個(gè)中斷，最后直到把需要傳輸?shù)淖止?jié)都傳完為止。中斷接收時(shí)，UART接收器收到字節(jié)后會(huì)產(chǎn)生RX收到中斷，在RX收到中斷服務(wù)函數(shù)中讀取收到的字節(jié)，每次中斷時(shí)都讀取收到的字節(jié)。
五、帶數(shù)據(jù)緩存的UART收發(fā)
在很多單片機(jī)系統(tǒng)中，都會(huì)提供UART Read和UART Write這樣的接口函數(shù)。一些高級(jí)的單片機(jī)甚至還有UART Read Callback和UART Write Callback這樣的回調(diào)函數(shù)來收發(fā)數(shù)據(jù)。通常很多單片機(jī)的數(shù)據(jù)處理能力相對(duì)UART通信來說要快得多，因此像采用上述接口函數(shù)的單片機(jī)系統(tǒng)都使用了數(shù)據(jù)緩存來輔助UART收發(fā)。常見的UART收發(fā)方式有這幾種：
數(shù)據(jù)隊(duì)列(Queue)收發(fā)：
這種方式適合大多數(shù)單片機(jī)，只要有中斷就行。使用UART Write發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，數(shù)據(jù)并不是直接寫入到UART發(fā)送器，而是放進(jìn)了一個(gè)環(huán)形緩沖區(qū)中。然后在UART TX發(fā)送完畢中斷服務(wù)函數(shù)中讀取環(huán)形緩沖區(qū)并把讀到的字節(jié)送入U(xiǎn)ART發(fā)送器，然后等待TX發(fā)送完畢中斷服務(wù)函數(shù)再次執(zhí)行時(shí)送入下一個(gè)字節(jié)，直到把環(huán)形緩沖區(qū)的數(shù)據(jù)送完為止。環(huán)形緩沖區(qū)通常有一個(gè)標(biāo)記頭和尾的變量，只要頭和尾的變量值不相等就說明緩沖區(qū)有數(shù)據(jù)。使用UART Read接收數(shù)據(jù)時(shí)，也不是直接從UART接收器中獲取數(shù)據(jù)，而是從環(huán)形緩沖區(qū)中獲取數(shù)據(jù)。UART RX收到中斷服務(wù)函數(shù)中把UART接收器收到的字節(jié)送進(jìn)環(huán)形緩沖區(qū)，單片機(jī)執(zhí)行UART Read時(shí)獲取到的數(shù)據(jù)是環(huán)形緩沖區(qū)的數(shù)據(jù)，這樣可以保證單片機(jī)程序不用一直等待UART接收器。這種設(shè)計(jì)的優(yōu)點(diǎn)是可以有效地處理實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，避免了數(shù)據(jù)的丟失。但是，如果Queue的大小設(shè)置不當(dāng)，可能會(huì)導(dǎo)致數(shù)據(jù)的溢出。因此，我們需要根據(jù)實(shí)際的應(yīng)用場(chǎng)景來合理地設(shè)置Queue的大小。
帶硬件FIFO的UART收發(fā)
很多先進(jìn)的單片機(jī)的UART收發(fā)用上了硬件FIFO。沒有硬件FIFO的單片機(jī)在收發(fā)數(shù)據(jù)時(shí)每收發(fā)一個(gè)字節(jié)就要執(zhí)行一次中斷函數(shù)，在高波特率通信時(shí)單片機(jī)會(huì)頻繁進(jìn)入中斷，從而影響單片機(jī)主任務(wù)的處理。而硬件FIFO則可以緩解這種矛盾。例如單片機(jī)的UART FIFO是16字節(jié)，單片機(jī)在發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)一次最多可以傳輸16字節(jié)數(shù)據(jù)，等16字節(jié)數(shù)據(jù)發(fā)送完畢后才產(chǎn)生UART TX發(fā)送完畢中斷。接收數(shù)據(jù)時(shí)通常是“半滿”中斷和“超時(shí)”中斷，即接收FIFO中的字節(jié)數(shù)超過8字節(jié)，或者接收FIFO不為空但是超過1字節(jié)的時(shí)間內(nèi)沒有收到新的字節(jié)數(shù)據(jù)，產(chǎn)生一次UART RX接收中斷。通常帶硬件FIFO的UART會(huì)和數(shù)據(jù)隊(duì)列的方式相結(jié)合使用，在高波特率通信下傳輸效率更高。
帶DMA的UART收發(fā)
DMA(Direct Memory Access)是一種可以將計(jì)算機(jī)的某個(gè)存儲(chǔ)區(qū)域直接映射到內(nèi)存地址空間的技術(shù)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)內(nèi)存和其他外設(shè)的統(tǒng)一訪問。當(dāng)UART接收到數(shù)據(jù)時(shí)，數(shù)據(jù)會(huì)被直接寫入到DMA控制的內(nèi)存區(qū)域中，然后觸發(fā)中斷。在中斷服務(wù)程序中，我們可以從DMA控制的內(nèi)存區(qū)域中取出數(shù)據(jù)，進(jìn)行必要的處理，然后再通過UART發(fā)送出去。
DMA傳輸
使用DMA進(jìn)行UART傳輸對(duì)連續(xù)多條數(shù)據(jù)的傳輸幫助特別大，例如前面提到的UART Read Callback和UART Write Callback回調(diào)函數(shù)的方式。連續(xù)發(fā)送多條數(shù)據(jù)流時(shí)，可以把數(shù)據(jù)流放在單片機(jī)的多個(gè)不同的緩沖區(qū)，然后DMA直接指向緩沖區(qū)地址，待DMA傳輸完畢后產(chǎn)生UART Write Callback，然后在UART Write Callback中把DMA指向下一個(gè)緩沖區(qū)地址。接收數(shù)據(jù)時(shí)也可以預(yù)約一個(gè)接收緩沖區(qū)，DMA傳輸?shù)臄?shù)據(jù)傳輸?shù)皆摼彌_區(qū)，傳輸滿了后產(chǎn)生UART Read Callback再指向下一個(gè)接收緩沖區(qū)，同時(shí)可以讓單片機(jī)主程序處理已收滿數(shù)據(jù)的緩沖區(qū)的內(nèi)容。
UART協(xié)議的應(yīng)用場(chǎng)景：
UART協(xié)議廣泛應(yīng)用于各種設(shè)備之間的通信，如計(jì)算機(jī)與外設(shè)(鼠標(biāo)、鍵盤、打印機(jī)等)、嵌入式系統(tǒng)與傳感器、微控制器之間的通信等。由于其簡(jiǎn)單性和普遍性，UART協(xié)議在串行通信中占有重要地位。
總結(jié)：
UART協(xié)議以其簡(jiǎn)單、靈活和易于實(shí)現(xiàn)的特點(diǎn)，在串行通信領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。盡管在高速數(shù)據(jù)傳輸方面可能不如一些同步通信協(xié)議，但UART協(xié)議在許多低速通信場(chǎng)景中仍然是首選方案。隨著技術(shù)的發(fā)展，UART協(xié)議也在不斷地進(jìn)行改進(jìn)和擴(kuò)展，以滿足現(xiàn)代電子系統(tǒng)的需求。
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