UART協(xié)議簡介及優(yōu)缺點說明

最近幾天，有不少粉絲問我，局哥，什么時候可以寫一篇關(guān)于UART協(xié)議的文章啊？網(wǎng)上的太繁雜，想偷個懶，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，后面也會抽時間介紹一些其他的常用協(xié)議。

UART簡介

UART全稱universal asynchronous receiver transmitter，翻譯過來就是通用異步收發(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，特點是通信線路簡單，利用簡單的線纜就可實現(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)用場合。

物理層

在物理層上，UART協(xié)議只有三條信號線：TX，RX和GND?？吹竭@兒看官您就要問了，為什么沒有時鐘線？對，UART協(xié)議就是這么任性，不需要時鐘線，那么它是怎么通信的呢？下面的協(xié)議層章節(jié)會做詳細(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。

舉個例子，對于傳輸數(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，首先來介紹一下波特率的概念。波特率可以被理解為一個設(shè)備在單位時間內(nèi)發(fā)送（或接收）了多少碼元的數(shù)據(jù)，它是對符號傳輸速率的一種度量，表示單位時間內(nèi)傳輸符號的個數(shù)（傳符號率）。說白了，波特率是串口數(shù)據(jù)的傳輸速度，即Bit/s，常見的波特率有：9600，19200，38400，57600，115200。假設(shè)目前UART的配置為，1個起始位，8個數(shù)據(jù)位，0個校驗位，1個停止位，那么9600的波特率，可以計算出每一位數(shù)據(jù)的時間寬度為104us，那么傳輸一個數(shù)據(jù)包（也就是10 bit 數(shù)據(jù)）需要的時間為 1.04 毫秒。

數(shù)據(jù)包格式

介紹完了波特率，再來介紹一下數(shù)據(jù)包的格式。UART傳輸?shù)臄?shù)據(jù)被封裝成數(shù)據(jù)包，每個數(shù)據(jù)包包含1個起始位，5~8個數(shù)據(jù)位（取決于UART的具體設(shè)置），一個可選的奇偶校驗位以及1個或2個停止位，具體如下圖所示：

起始位：UART數(shù)據(jù)傳輸線在空閑狀態(tài)時時保持高電平。當(dāng)master先發(fā)出一個邏輯”0”的信號時，表示傳輸數(shù)據(jù)的開始。

數(shù)據(jù)位：可以選擇的值有5，6，7，8這四個值，可以傳輸這么多個值為0或者1的bit位。這個參數(shù)最好為8，因為如果此值為其他的值時當(dāng)你傳輸?shù)氖茿SCII值時一般解析肯定會出問題。理由很簡單，一個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，這樣就會出錯。

校驗位：在串口通信中一種簡單的檢錯方式。有下面四種檢錯方式：偶校驗、奇校驗、高校驗和低校驗。當(dāng)然沒有校驗位也是可以的。對于偶和奇校驗的情況，串口會設(shè)置校驗位（數(shù)據(jù)位后面的一位），用1bit確保傳輸?shù)臄?shù)據(jù)有偶個或者奇?zhèn)€邏輯高位。

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

停止位：發(fā)送端UART將數(shù)據(jù)傳輸線從低電壓驅(qū)動到高電壓至少持續(xù)兩位數(shù)據(jù)的時間寬度來表示整個數(shù)據(jù)包的傳輸已經(jīng)結(jié)束。由于數(shù)據(jù)是在傳輸線上定時的，不同設(shè)備之間的時鐘存在偏差，誤差的積累有可能會造成數(shù)據(jù)位的傳輸錯誤。因此停止位不僅僅是表示傳輸?shù)慕Y(jié)束，并且提供校正時鐘同步的機(jī)會。適用于停止位的位數(shù)越多，不同時鐘同步的容錯性越好，但是數(shù)據(jù)傳輸率同時也越慢。

優(yōu)缺點

沒有任何通信協(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目需求：

優(yōu)點：

通信只需要兩條數(shù)據(jù)線；

無需時鐘信號；

有奇偶校驗位，方便通信的差錯檢查；

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：

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