UART傳輸?shù)臄?shù)據(jù)被封裝成數(shù)據(jù)包

介紹UART

最早的串行通訊設(shè)備可以追溯到電報(bào)機(jī)，它使用長度可變的脈沖信號(hào)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。要說早期的芯片級(jí)UART，不得不提一下DEC，該公司的PDP系列計(jì)算機(jī)用上了第一個(gè)UART。當(dāng)時(shí)的UART的線路占據(jù)了整個(gè)電路板，體積巨大！可以聯(lián)想一下早期計(jì)算機(jī)的樣子，如下圖。

如今PC機(jī)上的串口早已被USB取代，對(duì)RS-232（也稱標(biāo)準(zhǔn)串口）有需求的用戶通常使用USB轉(zhuǎn)串口線，這里常見的有CH340串口驅(qū)動(dòng)程序。在UART通信中，兩個(gè)UART直接通信。

發(fā)送端的UART將來自控制設(shè)備（如CPU）的并行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)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(zhuǎn)換為并行數(shù)據(jù)以用于接收設(shè)備的正常處理。這里只需要兩條線RX/TX即可在兩個(gè)UART之間傳輸數(shù)據(jù)，如下圖所示。

UART傳輸?shù)臄?shù)據(jù)被封裝成數(shù)據(jù)包。每個(gè)數(shù)據(jù)包包含1個(gè)起始位，5~9個(gè)數(shù)據(jù)位（取決于UART的具體設(shè)置），一個(gè)可選的奇偶校驗(yàn)位以及1個(gè)或2個(gè)停止位，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(shí)保持在高電平。為了開始數(shù)據(jù)傳輸，發(fā)送端UART在一個(gè)時(shí)鐘周期內(nèi)將傳輸線從高電平拉低到低電平。當(dāng)接收端UART檢測到高電壓到低電壓轉(zhuǎn)換時(shí)，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)膶?shí)際數(shù)據(jù)。如果使用奇偶校驗(yàn)位，則可以是5位，最多8位。如果不使用奇偶校驗(yàn)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(yàn)位

在串口通信中一種簡單的檢錯(cuò)方式。有四種檢錯(cuò)方式：

偶校驗(yàn)

奇校驗(yàn)

高校驗(yàn)

低校驗(yàn)

對(duì)于偶和奇校驗(yàn)的情況，串口會(huì)設(shè)置校驗(yàn)位（數(shù)據(jù)位后面的一位），用一個(gè)值確保傳輸?shù)臄?shù)據(jù)有偶個(gè)或者奇?zhèn)€邏輯高位。

停止位

發(fā)送端UART將數(shù)據(jù)傳輸線從低電壓驅(qū)動(dòng)到高電壓至少持續(xù)兩位數(shù)據(jù)的時(shí)間寬度來表示整個(gè)數(shù)據(jù)包的傳輸已經(jīng)結(jié)束。由于數(shù)據(jù)是在傳輸線上定時(shí)的，并且每一個(gè)設(shè)備有其自己的時(shí)鐘，很可能在通信中兩臺(tái)設(shè)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(jié)束，并且提供計(jì)算機(jī)校正時(shí)鐘同步的機(jī)會(huì)。適用于停止位的位數(shù)越多，不同時(shí)鐘同步的容錯(cuò)性越好，但是數(shù)據(jù)傳輸率同時(shí)也越慢。

波特率

波特率是串口數(shù)據(jù)的傳輸速度，即Bit/s，常見的波特率比如：9600，19200，38400，57600，115200等。假設(shè)目前UART的配置為，1個(gè)起始位，8個(gè)數(shù)據(jù)位，0個(gè)校驗(yàn)位，1個(gè)停止位，那么9600的波特率，可以計(jì)算出每一位數(shù)據(jù)的時(shí)間寬度為：

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

UART傳輸過程

①發(fā)送端UART從數(shù)據(jù)總線轉(zhuǎn)換并行數(shù)據(jù)。

②發(fā)送端UART將起始位，奇偶校驗(yàn)位和停止位添加到數(shù)據(jù)包中，示意圖如下。

③整個(gè)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(yù)先配置好的波特率對(duì)數(shù)據(jù)線進(jìn)行采樣，示意圖如下。

④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(yàn)位和停止位。

⑤接收UART將串行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換回并行數(shù)據(jù)，并將其傳輸?shù)浇邮斩说臄?shù)據(jù)總線。

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