UART協(xié)議簡(jiǎn)介及優(yōu)缺點(diǎn)說(shuō)明

最近幾天，有不少粉絲問(wèn)我，局哥，什么時(shí)候可以寫一篇關(guān)于UART協(xié)議的文章??？網(wǎng)上的太繁雜，想偷個(gè)懶，你直接給介紹總結(jié)一下吧。那么今天就介紹一下UART協(xié)議，后面也會(huì)抽時(shí)間介紹一些其他的常用協(xié)議。

UART簡(jiǎn)介

UART全稱universal asynchronous receiver transmitter，翻譯過(guò)來(lái)就是通用異步收發(fā)器（一般也很少有人這么叫啦）。UART的應(yīng)用場(chǎng)景非常廣泛，比如上位機(jī)與下位機(jī)之間的通信，各種外接模塊，比如GPS和藍(lán)牙模塊等等。UART作為串行通信，利用一條傳輸線將數(shù)據(jù)按bit進(jìn)行順序傳送，特點(diǎn)是通信線路簡(jiǎn)單，利用簡(jiǎn)單的線纜就可實(shí)現(xiàn)通信，降低成本，適用于遠(yuǎn)距離通信，但傳輸速度慢的應(yīng)用場(chǎng)合。

物理層

在物理層上，UART協(xié)議只有三條信號(hào)線：TX，RX和GND?？吹竭@兒看官您就要問(wèn)了，為什么沒(méi)有時(shí)鐘線？對(duì)，UART協(xié)議就是這么任性，不需要時(shí)鐘線，那么它是怎么通信的呢？下面的協(xié)議層章節(jié)會(huì)做詳細(xì)的介紹。

UART使用標(biāo)準(zhǔn)的TTL/CMOS邏輯電平（0~5V，0~3.3V，0~2.5V或0~1.8V）來(lái)表示數(shù)據(jù)，1表示高電平，0表示低電平。為了提高抗干擾能力、提高傳輸?shù)木嚯x，通常也會(huì)TTL/CMOS邏輯電平轉(zhuǎn)換為RS-232邏輯電平，3~15V表示0，-3~-15V表示1。

舉個(gè)例子，對(duì)于傳輸數(shù)據(jù)0x55，即二進(jìn)制的01010101，RS232和TTL的區(qū)別如下；

協(xié)議層

波特率

協(xié)議層上，首先來(lái)介紹一下波特率的概念。波特率可以被理解為一個(gè)設(shè)備在單位時(shí)間內(nèi)發(fā)送（或接收）了多少碼元的數(shù)據(jù)，它是對(duì)符號(hào)傳輸速率的一種度量，表示單位時(shí)間內(nèi)傳輸符號(hào)的個(gè)數(shù)（傳符號(hào)率）。說(shuō)白了，波特率是串口數(shù)據(jù)的傳輸速度，即Bit/s，常見(jiàn)的波特率有：9600，19200，38400，57600，115200。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104us，那么傳輸一個(gè)數(shù)據(jù)包（也就是10 bit 數(shù)據(jù)）需要的時(shí)間為 1.04 毫秒。

數(shù)據(jù)包格式

介紹完了波特率，再來(lái)介紹一下數(shù)據(jù)包的格式。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，5~8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，具體如下圖所示：

起始位：UART數(shù)據(jù)傳輸線在空閑狀態(tài)時(shí)時(shí)保持高電平。當(dāng)master先發(fā)出一個(gè)邏輯”0”的信號(hào)時(shí)，表示傳輸數(shù)據(jù)的開(kāi)始。

數(shù)據(jù)位：可以選擇的值有5，6，7，8這四個(gè)值，可以傳輸這么多個(gè)值為0或者1的bit位。這個(gè)參數(shù)最好為8，因?yàn)槿绻酥禐槠渌闹禃r(shí)當(dāng)你傳輸?shù)氖茿SCII值時(shí)一般解析肯定會(huì)出問(wèn)題。理由很簡(jiǎn)單，一個(gè)ASCII字符值為8位，如果一幀的數(shù)據(jù)位為7，那么還有一位就是不確定的值，這樣就會(huì)出錯(cuò)。

校驗(yàn)位：在串口通信中一種簡(jiǎn)單的檢錯(cuò)方式。有下面四種檢錯(cuò)方式：偶校驗(yàn)、奇校驗(yàn)、高校驗(yàn)和低校驗(yàn)。當(dāng)然沒(méi)有校驗(yàn)位也是可以的。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1bit確保傳輸?shù)臄?shù)據(jù)有偶個(gè)或者奇?zhèn)€邏輯高位。

舉個(gè)例子，如果數(shù)據(jù)是011，假如為偶校驗(yàn)，則校驗(yàn)位為0，保證邏輯高的位數(shù)是偶數(shù)個(gè)。假如為奇校驗(yàn)，校驗(yàn)位為1，保證邏輯高的位數(shù)是奇數(shù)個(gè)。

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(lái)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，不同設(shè)備之間的時(shí)鐘存在偏差，誤差的積累有可能會(huì)造成數(shù)據(jù)位的傳輸錯(cuò)誤。因此停止位不僅僅是表示傳輸?shù)慕Y(jié)束，并且提供校正時(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。

優(yōu)缺點(diǎn)

沒(méi)有任何通信協(xié)議是完美的，以下是UART的一些利弊，可幫助您確定它們是否適合您的項(xiàng)目需求：

優(yōu)點(diǎn)：

通信只需要兩條數(shù)據(jù)線；

無(wú)需時(shí)鐘信號(hào)；

有奇偶校驗(yàn)位，方便通信的差錯(cuò)檢查；

只需要接收端和發(fā)送端設(shè)置好數(shù)據(jù)包結(jié)構(gòu)，即可穩(wěn)定通信；

缺點(diǎn)：

數(shù)據(jù)幀最大支持9位數(shù)據(jù)；

不支持多主機(jī)或多從機(jī)的主從系統(tǒng)；

原文標(biāo)題：干貨 | UART協(xié)議詳解

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審核編輯：湯梓紅