自从国庆长假被密密麻麻的红色炸弹击中之后,酒也没少喝,最终喝到断片进了医院,身体恢复后终于更新了一篇基础的 UART,献给刚好需要的您;

 

目录

1 UART 发展历史

2 预备知识

3 协议层

4 传输过程

5 物理层

6 优缺点

  • 1.1 早期的串行通讯设备
  • 1.2 早期的芯片级 UART
  • 1.3 现代 UART 的发展
  • 起始位
  • 数据
  • 校验位
  • 停止位
  • 波特率

 

1、 UART 发展历史

1.1 早期的串行通讯设备

早期的电报机器使用长度可变的脉冲信号进行数据传输,比如摩斯电码;

 

摩斯电码

 

后来电传打印机(teleprinters )普遍使用 5、6、7 或 8 个数据位来表示各种字符编码,最终成为计算机外围设备。电传打字机( teletypewriter 简称 tty)成为小型计算机十分出色的通用I/O设备。

 

Teletypewritter

 

由于历史的发展原因,早期在 Unix 终端是一个名字为 ASR33 的电传打字机,而电传打字机的英文单词为Teletype(或Teletypewritter),缩写为tty。因此,终端设备也被称为tty设备。这就是 TTY 这个名称的来源。

 

1.2 早期的芯片级 UART

DEC(Digital Equipment Corporation)公司的 Gordon Bell 为该公司的 PDP 系列计算机设计了第一个 UART,不过体积庞大,UART 的线路占据了整个电路板;

 

后来 DEC 将串行线路单元的设计浓缩为早期的 UART 单芯片,以方便自己使用。

 

DEC 公司 Logo

DEC 是美国一家计算机公司;

 

西部数据(Western Digital)公司在 1971 年左右将其开发为第一个广泛可用的UART单芯片 WD1402A。这是中型集成电路的早期产品。

 

Western Digital是美国计算机硬盘驱动器制造商和数据存储公司。

 

1.3 现代 UART 的发展

2000 年代开始,大多数 IBM 或者相关的计算机都删除了其外部 RS232 的 COM 端口,将其替换为带宽性能更加出色的 USB 端口;

 

早期带 RS232 的 PC

 

对于仍然需要 RS-232 串行 COM 端口的用户,现在通常使用外部 USB 转 UART 转换器,常见的有 CH340,Silicon Labs 210x 的驱动程序,现在很多处理器和芯片都内置了 UART。

 

2 、预备知识

通用异步收发传输器(Universal Asynchronous Receiver/Transmitter,通常称为 UART),在 UART 通信中,两个 UART 直接通信。

 

发送端的UART将来自控制设备(如 CPU)的并行数据转换为串行数据,以串行方式将其发送到接收端的UART,然后由接收端的 UART 将串行数据转换为并行数据以用于接收设备的正常处理。

 

这里只需要两条线 RX/TX 即可在两个 UART 之间传输数据。具体如下图所示;

 

3、 协议层

UART 传输的数据被封装成数据包。每个数据包包含 1 个起始位,5~9 个数据位(取决于 UART 的具体设置),一个可选的奇偶校验位以及 1 个或 2 个停止位,具体如下图所示;

 

协议格式

 

起始位

UART 数据传输线通常在不传输数据时保持在高电平。

 

为了开始数据传输,发送端 UART 在一个时钟周期内将传输线从高电平拉低到低电平。

 

当接收端 UART 检测到高电压到低电压转换时,它开始以波特率的频率读取数据位中的每一位数据。

 

数据

数据位包含正在传输的实际数据。如果使用奇偶校验位,则可以是 5 位,最多 8 位。如果不使用奇偶校验位,则数据帧的长度可以为 9 位。

 

在大多数情况下,数据首先以低有效位发送。

 

校验位

在串口通信中一种简单的检错方式。

 

有四种检错方式:偶校验、奇校验、高校验和低校验。当然没有校验位也是可以的。

 

对于偶和奇校验的情况,串口会设置校验位(数据位后面的一位),用一个值确保传输的数据有偶个或者奇个逻辑高位。

 

举个例子,如果数据是011,则满足;

 

偶校验,校验位为 0,保证逻辑高的位数是偶数个。

 

奇校验,校验位为 1,这样就有 3 个逻辑高位。

 

具体如下图所示;

 

奇校验和偶校验

 

高位和低位不是真正的检查数据,而是强行将校验位设置为逻辑高或者逻辑低。这样使得接收设备能够知道一个位的状态,有机会判断是否有噪声干扰了通信或者是否传输和接收数据是否不同步。

 

停止位

发送端 UART 将数据传输线从低电压驱动到高电压至少持续两位数据的时间宽度来表示整个数据包的传输已经结束。

 

由于数据是在传输线上定时的,并且每一个设备有其自己的时钟,很可能在通信中两台设备间出现了小小的不同步。因此停止位不仅仅是表示传输的结束,并且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,不同时钟同步的容错性越好,但是数据传输率同时也越慢。

 

波特率

波特率是串口数据的传输速度,即Bit/s,常见的波特率有:9600,19200,38400,57600,115200,当然还有很多波特率,不再一一给出;

 

假设目前 UART 的配置为,1 个起始位,8 个数据位,0 个校验位,1 个停止位,那么 9600 的波特率,可以计算出每一位数据的时间宽度为:

 

那么传输一个字节(也就是 10 bit 数据)需要的时间为 1.04 毫秒。

 

下面用串口抓取了 UART 的 TX 上的信号,其中一位数据的时间宽度为 26 微秒,具体如下图所示;

 

 

则可以简单计算得到;

 

因此波特率大概为 38400;

 

下表是各个波特率下数据位时间宽度;

 

Time Baud Rate
3333µs (3.3ms) 300
833µs 1200
416µs 2400
208µs 4800
104µs 9600
69µs 14400
52µs 19200
34µs 28800
26µs 38400
17.3µs 57600
8µs 115200
4.34µs 230400

 

4 传输过程

 

 

 

 

发送端 UART 从数据总线转换并行数据:

 

 

发送端 UART 将起始位,奇偶校验位和停止位添加到数据包中:

 

 

整个数据包从发送端 UART 串行发送到接收端 UART;接收端 UART 按照预先配置好的波特率对数据线进行采样:

 

 

接收端 UART 解析接收的数据,丢弃数据包中的起始位,奇偶校验位和停止位:

 

 

接收 UART 将串行数据转换回并行数据,并将其传输到接收端的数据总线:

 

 

5 、物理层

UART、RS232、RS485 在串口通信中,主要区别是电平的不同,其中 UART 通常使用 TTL 电平,下面介绍这几个存在的差异;

 

TTL

TTL 全名是晶体管 - 晶体管逻辑集成电路(Transistor-Transistor Logic)

 

输入高电平最小 2V,输出高电平最小 2.4V,典型值 3.4V;

 

输入低电平最大 0.8V,输出低电平最大 0.4V,典型值 0.2V。

 

RS232

RS232 逻辑 1 电平(MARK)=-3V~-15V,逻辑 0 电平(SPACE)=+3~+15V;

 

同样的,对于传输数据0x55,即二进制的01010101,RS232 和 TTL 的区别如下;

 

 

RS485

RS485 是差分信号进行串行传输;

 

逻辑 1 以两线间的电压差为+(2~6)V表示;逻辑"0"以两线间的电压差为-(2~6)V表示;

 

在工业通信中,使用 RS485 比较多,因为 RS485 是差分信号,可以抑制共模干扰,因此在恶劣的环境中拥有很好的抗干扰性,比较稳定;

 

6、 优缺点

没有任何通信协议是完美的,以下是 UART 的一些利弊,可帮助您确定它们是否适合您的项目需求:

 

优点

通信只需要两条数据线;无需时钟信号;有奇偶校验位,方便通信的差错检查;只需要接收端和发送端设置好数据包结构,即可稳定通信;

 

缺点

数据帧最大支持 9 位数据;不支持多主机或多从机的主从系统;