几种最常用的串行数据传输总线(3) - 无人不知的UART

2018-11-07 15:15:42 来源:电路设计技能
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前面两篇文章我简单讲了一下在PCB板子上用于器件之间连接的SPI和I2C总线的一些基本特征以及优缺点,筒子们一眼就可以看出来这两种总线都有时钟信号线伴随着数据信号线的,在SPI中有SCLK,在I2C中有SCK,这种有时钟的传输方式叫同步传输,有时钟做参考可以方便接收端对接受数据的判决,但同时也带来一些限制,比如:
 
需要一根多余的连线用于时钟信号
 
因为需要时钟的边沿对数据进行采样判决,时钟的带宽至少要是数据带宽的2倍,因此也就限制了系统的数据传输速率
 
长距离传输的时候数据信号和时钟信号容易失去同步(即便俩人一起跑步,速度越快越不容易步调一致)
 
 
串行通信(同步)
 
所以,传输要往高速走,同步串行的传输方式就力不从心了,虽然可以在同样时钟频率的情况下靠增加数据线来提高传输的数据量(SD卡就这么干的),但信号线越多,也就越难同步,最后搞得跟并行传输一样了。
 
并行通信(PCB的布线在高速时将变得非常困难)
 
因此更高速的传输最好是采用异步的方式,也就是说不再有多余的时钟信号线跟着,传输的信号线中只有数据信号,异步传输不仅能够节省连线,同时还可以提高传输速度,比如USB、以太网。。。这种快到10Gbps的传输都只能靠异步的方式。
 
今天我们要讲的UART(通用异步接收/发送)就是一种异步的传输方式,不过它是相对低速的(最低1200bps),这是因为它生下来的时候人们的想象力还非常有限,能用9.6Kbps传传数据已经非常开心了,2000年前通过模拟电话线Modem传57.6Kbps的数据(收发邮件、网页浏览)已经感觉飞快了。
 
现在几乎每个MCU都标配UART,主要的功能是用来跟上位机连接的,以便让上位机对其进行调试或者执行简单的数据通信,比如显示一下状态、传递几个命令等。如果需要高速的数据传输?不是有USB了么!经过近20年的演进,USB 已经从最早的1.5Mbps一路升级到12Mbps、480Mbps、现在的10Gbps,USB已经承担了两个系统之间高速数据传输的主要重担。
 
 
UART虽然速率比较低,但却不可或缺,估计全世界的硬件工程师没有没和UART打过交道的。这个世界的科技发展变得再快,这种最简单、粗暴的数字通信方式也将像常青树一样一直陪伴着我们,一如过去的几十年。
 
UART的工作原理
UART(Universal Asynchronous Receiver/Transmitter,翻译过来叫通用异步收发) 其实不是像SPI和I2C这样的通信协议,而是MCU(微控制器)中的物理电路或独立的IC,它的主要用途是发送和接收串行数据。
 
在UART通信中,两个UART可以直接相互通信。 发送UART将来自CPU等控制设备的并行数据转换为串行格式,并将其串行发送到接收端的UART,接收UART将串行数据转换回接收设备的并行数据。 在两个UART之间传输数据只需要两根线, 数据流从发送UART的Tx引脚到接收UART的Rx引脚:
 
超简化的UART接口,左侧为并行,右侧为串行
 
通用异步接收器/发送器(UART)是负责实现串行通信的电路块。 本质上,UART充当并行和串行接口之间的中介。 UART的一端是八条左右数据线(加上一些控制引脚),另一条是两条串行线 - RX和TX。
 
 
 
两个设备可以发送和接收数据的串行接口是全双工或半双工。 全双工意味着两个设备可以同时发送和接收。 半双工通信意味着串行设备必须轮流发送和接收。
 
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