最常见的嵌入式通信协议—— UART | 深入数据帧格式
最常见的嵌入式通信协议—— UART | 深入数据帧格式
UART（通用异步收发传输器）是一种广泛应用于嵌入式领域的串行、异步、全双工通信协议。本文将深入探讨UART的基本概念、硬件接线、数据帧格式、波特率等核心知识点，并通过具体的实践案例进行讲解。
1. 什么是UART？
通用异步收发器（Universal Asynchronous Receiver/Transmitter），通常称作UART，是一种串行、异步、全双工的通信协议，在嵌入式领域应用的非常广泛。如果对于通信方式的分类不甚明了的话，可以参考一下我的另一篇博文：嵌入式通信协议的前言——通信方式的分类
2. 硬件接线
- 通信双方TX、RX交叉连接
- 通信双方共地
3. 数据帧格式
启动位：
占1个位长
保持逻辑0电平
有效数据位：
可选5、6、7、8、9个位长（通常是8bit）
LSB在前，MSB在后，即最低有效位在前
校验位：
1位，可选是否有
常见的是奇偶校验位
停止位：
可选1、1.5、2个位长
保持逻辑1电平
停止位不仅仅表示传输的结束，也是在提供计算机校正时钟同步的机会，适用于停止位的位数越多，不同时钟的容忍程度越大
空闲位：
总线空闲时默认逻辑1电平
4. 波特率
4.1. 波特率和比特率的定义
波特率有一个很重要的相关概念，称为比特率。
- 比特率：每秒钟传输的比特数，单位 bit/s，bps
- 波特率：每秒钟传输的码元数，单位 symbol/s，Baud
4.2. 波特率和比特率之间的关系
举一个生活化的例子，如果把通信系统类比到公共交通运输系统，那么比特的概念就是运输的最小单位——人，而码元可以类比为出租车、公交车、火车等等不同的交通运输车辆。波特率可以理解为单位时间内的发车数量，比特率可以理解为单位时间内运输的出行人数。
比特率 = 波特率 * log2M，M 表示每个码元承载的信息量（ M 也可以认为是进制数）。
二进制系统中，每个码元都存在2种状态，所以波特率数值上等于比特率。
4.3. 波特率的作用
在串口通信中，发送端和接收端需要规定好一个相同的波特率，才能保证通信正常。在描述波特率的作用时，我比较喜欢用打羽毛球来进行比喻。发送端是发球的人，接收端是接球的人，而波特率就是两个打球的人挥拍的频率，如果这两个人的节奏一致，羽毛球就可以很长时间不落地。而如果有快有慢，甲的球刚刚发出去，乙的球拍已经挥完放下了，就很容易出现丢球的情况。
5. 8N1 表示的是什么意思？
- 8N1：8 表示的是数据位8位，N 表示的是无校验位，1 表示的是1位停止位
除了最常见的 8N1 之外，还有：
- 7E1：7个数据位，偶校验位，1个停止位
- 8O2：8个数据位，奇校验位，2个停止位
6. UART 通信分析实践
UART在波特率为9600、数据帧格式为默认 8-N-1 的情况下：
6.1. 发送"Hello, World!"，请写出数据帧。
"Hello,World!"一共有12个字节，所以一共需要发送12个UART数据帧。
根据ASCII码，将字节转成二进制表示：
字符 | ASCII码 | 二进制 |
|---|---|---|
H | 72 | 01001000 |
e | 101 | 01100101 |
l | 108 | 01101100 |
l | 108 | 01101100 |
o | 111 | 01101111 |
, | 44 | 00101100 |
W | 87 | 01010111 |
o | 111 | 01101111 |
r | 114 | 01110010 |
l | 108 | 01101100 |
d | 100 | 01100100 |
! | 33 | 00100001 |
- 串口通信的数据位通常是 LSB 先发送，这意味着在传输字符的时候，二进制表示的 ASCII 码是从右向左发送的。
字符 | 二进制 | LSB 开始发送 |
|---|---|---|
H | 01001000 | 00010010 |
e | 01100101 | 10100110 |
l | 01101100 | 00110110 |
l | 01101100 | 00110110 |
o | 01101111 | 11110110 |
, | 00101100 | 00110101 |
W | 01010111 | 11101010 |
o | 01101111 | 11110110 |
r | 01110010 | 01000111 |
l | 01101100 | 00110110 |
d | 01100100 | 00100110 |
! | 00100001 | 10000010 |
- 数据格式默认8-N-1，所以开始位1位，结束位1位，无校验位。S 代表起始位，E 代表停止位:
字符 | 发送的数据帧格式 |
|---|---|
H | S 00010010 E |
e | S 10100110 E |
l | S 00110110 E |
l | S 00110110 E |
o | S 11110110 E |
, | S 00110101 E |
W | S 11101010 E |
o | S 11110110 E |
r | S 01000111 E |
l | S 00110110 E |
d | S 00100110 E |
! | S 10000010 E |
6.2. 每秒传输多少个有效字节？每秒传输多少个有效比特？
- 1 byte = 8 bit，但是 UART 协议中包含开始位和结束位，所以每秒钟传输的字节数 = 9600/10 = 960
- 根据计算出的每秒钟传输的字节数，每秒钟传输的比特数是 960*8 = 7680
7. Review
- UART属于哪种类型的通信方式？
- 请绘制出UART通信的硬件接线图。
- 波特率和比特率之间的区别是什么？
- UART在波特率为9600、数据帧格式为默认8-N-1的情况下，发送"Hi"，请写出数据帧。(“H” 的 ASCII 值为72， “i” 的 ASCII 值 为105)
- UART在波特率为9600、数据帧格式为 7-E-1 的情况下，每秒传输多少个有效字节？每秒传输多少个有效比特?
参考：
- 超简单的一种通信，2分钟搞懂，串口通讯的工作原理！- B站 - 爱上半导体
- 一文搞懂比特率和波特率 - 知乎 - 奔跑的
- 串口通信8N1 - CSDN - modi000
- UART串口协议详解 - 知乎 - 曾小庆