UART接口的基礎(chǔ)知識詳解

UART俗稱串口，是Universal Asynchronous Receiver/Transmitter（通用異步收發(fā)器）縮寫。是常用的芯片與PC間，芯片間低速通信接口。UART是一種定義在數(shù)據(jù)鏈路層的通信協(xié)議，比較容易會和定義在物理層的RS232等電氣協(xié)議混淆。這倆協(xié)議之間實際上并無包含關(guān)系，只是通常使用的串口是指滿足UART通信協(xié)議且物理連接滿足RS232電氣特性的一種通訊方式。

如表1所示，UART通信協(xié)議顯著特點就是無需時鐘信號，僅需兩根線即可完成全雙工通信（此處不討論帶流控的4線情形）。

表1 UART接口信號

【UART幀結(jié)構(gòu)】

圖1 UART數(shù)據(jù)格式

圖1為UART幀結(jié)構(gòu)，UART幀由1bit起始位，5~9比特數(shù)據(jù)位，0~1bit奇偶校驗位，1~2比特停止位組成。無數(shù)據(jù)幀發(fā)送時，總線空閑時發(fā)送空閑位。各域詳細(xì)描述如下：

空閑位：多bit高電平，表征總線處于空閑狀態(tài)。

起始位：1bit低電平，表征總線開始傳輸。在空閑狀態(tài)時，偵測到1bit低電平則認(rèn)為幀起始位。

數(shù)據(jù)位：5~8bit數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)按照LSB（低比特宣傳）的方式發(fā)送。由于ASCII碼位寬為8bit，因此通常數(shù)據(jù)位設(shè)置為8比特。

檢驗位：根據(jù)可配置可分為五種模式。

表2 UART Parity模式

停止位：幀結(jié)束標(biāo)識。位寬可配置為1bit，1.5bit，2bit 3種情形。

波特率：數(shù)據(jù)傳輸速率使用波特率表示，單位bps（bits per second）?？膳渲眠x擇有8種標(biāo)準(zhǔn)波特率，分別為1200，2400，4800，9600，19200，38400，57600，115200。比特寬度=（1/波特率）。如9600bps，比特寬度為1/9600≈104.17us。

由于UART傳輸機制中僅定義了數(shù)據(jù)幀，沒有定義控制幀，因此上述描述中提到的可配置部分，通信雙方需要提前配置一致方可進(jìn)行通信。

【UART傳輸實例】

圖2為UART接口傳輸Hi字符實例。UART在傳遞字符時，采用字符的ASCII作為編碼方式?！疕’字符ASCII碼為0x48，’i’字符ASCII碼為0x69

圖2 UART傳遞“Hi”字符實例

【UART典型外圍電路】

圖3 UART典型外圍電路

圖3為UART應(yīng)用的典型外圍電路。通常從芯片輸出的UART信號為CMOS電平（如本例中的3.3v），為了和PC進(jìn)行連接一般需要將CMOS電平轉(zhuǎn)換為RS232規(guī)定的電平標(biāo)準(zhǔn)，圖中SP232E芯片就是該轉(zhuǎn)換芯片，DB9為RS232規(guī)定的一種連接器規(guī)格，在UART應(yīng)用時僅需要鏈接2/3/5PIN腳即可。硬件設(shè)計時需要注意，UART_RX方向最好預(yù)留上拉電阻位置，若接收方IO無弱上拉功能，則需要在板級進(jìn)行弱上拉，以確保任何場景下能獲得可靠的空閑狀態(tài)。

【后記】

UART作為整個系列首個和大家探討的數(shù)字接口，主要是由于其功能簡單且應(yīng)用廣泛。而且大部分SOC芯片均選擇通過UART作為Debug接口。芯片回片時，第一次啟動通過串口打印出來的字符，像極了一顆新生命在說Hello world，那種感覺估計也只有同行才能懂。

UART在業(yè)界有名的幾家IP供應(yīng)商中都有成熟IP可以選用，且大部分半賣半送十分便宜。如果你膽子夠大，甚至可以直接從網(wǎng)上獲取開源代碼使用。作為一名芯片愛好者和從業(yè)者，萬事溯源是最基本的職業(yè)素養(yǎng)。然而遺憾的是，截止本文完成時，仍未找到有關(guān)UART通信協(xié)議詳細(xì)起源，以及協(xié)議具體維護組織，大致推斷可能和幾篇美國專利有關(guān)，如有了解的同學(xué)忘留言告知。