UART數(shù)據(jù)幀與發(fā)送器

數(shù)據(jù)幀

對(duì)于發(fā)送設(shè)備和接收設(shè)備來(lái)說(shuō)，兩者的串行通信配置應(yīng)該設(shè)置為完全相同。

起始位：起始位是在實(shí)際數(shù)據(jù)之前添加的同步位。起始位標(biāo)記數(shù)據(jù)包的開(kāi)始。通常，空閑數(shù)據(jù)線，即當(dāng)數(shù)據(jù)傳輸線不傳輸任何數(shù)據(jù)時(shí)，它保持在高電壓電平。為了開(kāi)始數(shù)據(jù)傳輸，發(fā)送 UART 將數(shù)據(jù)線從高電平拉到低電平（從 1 到 0）。接收 UART 在數(shù)據(jù)線上檢測(cè)到這種從高到低的變化，并開(kāi)始讀取實(shí)際數(shù)據(jù)。通常，只有一個(gè)起始位。

數(shù)據(jù)位：數(shù)據(jù)位是從發(fā)送方傳輸?shù)浇邮辗降膶?shí)際數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)幀的長(zhǎng)度可以在 5 到 9 之間（如果不使用奇偶校驗(yàn)，則為 9 位，如果使用奇偶校驗(yàn)，則只有 8 位）。

奇偶校驗(yàn)位：奇偶校驗(yàn)允許接收器檢查接收到的數(shù)據(jù)是否正確。Parity 是一個(gè)低級(jí)錯(cuò)誤檢查系統(tǒng)，有兩種類型：偶校驗(yàn)和奇校驗(yàn)。

停止位：表示一幀數(shù)據(jù)的結(jié)束。電平邏輯為“1”停止位，顧名思義，標(biāo)志著數(shù)據(jù)包的結(jié)束。它通常有兩位長(zhǎng)，但通常只使用一個(gè)位。為了結(jié)束傳輸，UART 將數(shù)據(jù)線保持在高電壓。

如果用通用IO口模擬UART總線，則需一個(gè)輸入口，一個(gè)輸出口。

接收

UART受一個(gè)內(nèi)部時(shí)鐘信號(hào)控制。該時(shí)鐘信號(hào)是數(shù)據(jù)傳輸率的倍頻，典型是比特率的8或16倍。接收器在每個(gè)時(shí)鐘脈沖時(shí)測(cè)試接收到的信號(hào)狀態(tài)是否為開(kāi)始比特。

如果開(kāi)始比特的低電平持續(xù)傳輸1個(gè)比特所需時(shí)間的一半以上，則認(rèn)為開(kāi)始了一個(gè)數(shù)據(jù)幀的傳輸；否則，則認(rèn)為是毛刺脈沖并忽略。

到了下一個(gè)比特時(shí)間后，線路狀態(tài)被采樣并送入移位寄存器。約定的表示一個(gè)字符的所有數(shù)據(jù)比特（典型為5至8個(gè)比特）接收后，移位寄存器可被接收系統(tǒng)使用。UART將設(shè)置一個(gè)標(biāo)記指出新數(shù)據(jù)可用，并產(chǎn)生一個(gè)處理器中斷請(qǐng)求主機(jī)處理器取走接收到的數(shù)據(jù)。

UART的標(biāo)準(zhǔn)特性之一是在接收下一個(gè)字符時(shí)在緩沖區(qū)保存上一個(gè)接收到的字符。這種“雙緩沖區(qū)”允許接收計(jì)算機(jī)用一個(gè)字符的傳輸時(shí)段來(lái)獲取緩沖區(qū)內(nèi)的上一個(gè)字符。

許多UART有更大的FIFO緩沖區(qū)，允許主機(jī)一次處理多個(gè)字符，這特別適用于高傳輸數(shù)據(jù)率的串行通信同時(shí)處理器中斷頻率有限（通常中斷間隔大于1毫秒）。

發(fā)送器

UART把一個(gè)字符放入移位寄存器，就開(kāi)始產(chǎn)生一個(gè)數(shù)據(jù)幀。對(duì)于全雙工通信，發(fā)送與接受使用不同的移位寄存器。使用更大的FIFO使得主機(jī)處理器或DMA（Direct Memory Access）放置多個(gè)字節(jié)后由UART自主完成傳輸。UART用一個(gè)標(biāo)志位表示busy。

在 UART 中，發(fā)送器和接收器必須事先就時(shí)序參數(shù)達(dá)成一致。此外，UART 在每個(gè)數(shù)據(jù)字的開(kāi)頭和結(jié)尾使用特殊位來(lái)同步發(fā)送器和接收器。

在基于 UART 的串行通信中，發(fā)送器和接收器以下列方式進(jìn)行通信。發(fā)送設(shè)備上的 UART 即發(fā)送 UART 從 CPU（微處理器或微控制器）接收并行數(shù)據(jù)并將其轉(zhuǎn)換為串行數(shù)據(jù)。

該串行數(shù)據(jù)被傳輸?shù)浇邮赵O(shè)備上的 UART，即接收 UART。接收 UART 在接收到串行數(shù)據(jù)后，將其轉(zhuǎn)換回并行數(shù)據(jù)并提供給 CPU。由于 UART 涉及并行到串行和串行到并行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，因此移位寄存器是 UART 硬件的重要組成部分（具體來(lái)說(shuō)是兩個(gè)移位寄存器：發(fā)送器移位寄存器和接收器移位寄存器）。

UART規(guī)則

如前所述，UART 中沒(méi)有時(shí)鐘信號(hào)，發(fā)送器和接收器必須就串行通信的某些規(guī)則達(dá)成一致，以實(shí)現(xiàn)無(wú)差錯(cuò)數(shù)據(jù)傳輸。規(guī)則包括：

?同步位（開(kāi)始位和停止位）

?奇偶校驗(yàn)位

?數(shù)據(jù)位和

?波特率

波特率：使用波特率提到數(shù)據(jù)傳輸?shù)乃俣?。發(fā)送 UART 和接收 UART 必須在波特率上達(dá)成一致才能成功傳輸數(shù)據(jù)。

波特率以每秒位數(shù)為單位。一些標(biāo)準(zhǔn)波特率是 4800 bps、9600 bps、19200 bps、115200 bps 等。其中 9600 bps 波特率是最常用的一種。

讓我們看一個(gè)示例數(shù)據(jù)幀，其中必須傳輸兩個(gè)數(shù)據(jù)塊，即 00101101 和 11010011。幀的格式是 9600 8N1 即 9600 bps，有 8 位數(shù)據(jù)，無(wú)奇偶校驗(yàn)和 1 個(gè)停止位。在這個(gè)例子中，我們沒(méi)有使用奇偶校驗(yàn)位