UART(串口)

简介

UART简介：Universal Asynchronous Receiver Transmitter，即通用异步收发器。
是一种通用的串行、异步通信总线。
该总线有两条数据线，可以实现全双工的发送和接收。
在嵌入式系统中常用于主机与辅助设备之间的通信。

通信基础

单工、半双工、全双工通信

单工通信：单工通信是一种通信方式，在这种通信模式下，数据只能在一个方向上传输。这就好比是单行道，信息只能从一端发送到另一端，而不能反向传输。
例如，传统的广播电台就是单工通信的典型例子，广播电台可以向听众发送信号，但是听众无法向电台发送信号。
半双工通信：半双工通信是一种通信方式，它允许数据在两个方向上进行传输，但不能同时进行。就好像是一条单车道的桥，车辆（数据）可以从桥的这头开到那头，也可以从那头开到这头，但同一时间只能有一个方向的车辆通行。
例如，对讲机通信就是半双工通信，当一方在说话（发送数据）时，另一方只能听（接收数据），等一方说完后，另一方才能回应。
全双工通信：全双工通信是一种通信方式，允许数据同时在两个方向上传输。这就好比是有两条并行的车道，车辆（数据）可以在两个方向上同时行驶，互不干扰。
例如，电话通信就是典型的全双工通信，双方可以同时说话和聆听，实现实时的、双向的信息交流。

并行和串行

并行通信：并行通信是一种数据通信方式，它使用多条数据线同时传输多个数据位。就好像是有多条车道的高速公路，车辆（数据位）可以同时在这些车道上并行前进，一次性传输多个数据位，从而提高了数据传输的速度。
例如，对于一个 8 位的数据字节，就会使用 8 条数据线同时传输这 8 个数据位。
优点：高速传输，简单直观。
缺点：硬件成本高，抗干扰能力弱，传输距离受限。
串行通信：串行通信是一种数据通信方式，它是将数据按位（bit）依次进行传输，每次只传输一位数据，数据在一条数据线上按时间顺序一位接一位地传送。这就好比是单车道的道路，车辆（数据位）只能一个接一个地行驶。
例如，对于一个 8 位的数据字节，就会使用1条数据线依次按序传输这 8 个数据位。
优点：硬件成本低，抗干扰能力强。
缺点：传输速度相对较慢，通讯协议复杂。

硬件连接

串口（UART）主要包括发送端（TX）和接收端（RX）引脚，以及一些辅助引脚（如地线 GND）。在最简的连接场景下，两个设备进行串口通信时，发送端和接收端交叉连接，即一个设备的 TX 连接到另一个设备的 RX，同时两个设备的 GND 相连，以确保信号有共同的参考电平，避免出现信号混乱。
例如：设备A的发送端，要连接在设备B的接收端，相同的，设备B的发送端，要连接在设备A的接收端。

波特率

波特率：波特率用于描述UART通信时的通信速度，其单位为bps(bit per second)即每秒钟传送的bit的数量。在串行通信中，bit是指一个固定时长的信号波形，它可以代表二进制中的一位（0 或 1）。
例如，波特率为 9600 时，每秒可以传输 9600 个bit；如果提高到 115200 ，数据传输速度就会显著提高，每秒可以传输 115200 个bit。
强调解释：如果一秒传输一个bit，则波特率就是1bps，同样的，如果传输一位bit（0 或 1）花费的时间也需要1秒，如果波特率是9600，则传输一位bit花费的时间则为1/9600秒。
扩展知识：一个字节（Byte）有8位（bit），波特率是以位（bit）为单位，传输了8个bit，相当于传输了一个字节。

串口（UART）帧格式

串口帧格式分四类：起始位、数据位、奇偶校验位、停止位。

起始位

起始位是串口帧格式的开头标志，用于通知接收端数据传输即将开始。它是一个逻辑 0 电平，其持续时间通常为一个bit周期。当接收端检测到这个逻辑 0 电平的起始位时，就会开始准备接收后续的数据位。
扩展：为什么起始位信号是0电平？
对于串口总线来说，串口总线空闲时电平为高电平（用1表示），空闲就是，没有收发任务时的状态，这时，突然表示要发送数据，如果起始信号用高电平来表示，则会因为本来就是高电平，再来一个高电平，就无法准确通知接收端要开始一段通信。

数据位

数据位是串口帧中真正包含有效数据的部分，紧跟在起始位之后。数据位的数量可以是 5 位、6 位、7 位或 8 位，具体取决于通信双方的设置。在大多数通用的串口通信中，常采用 8 位数据位，这是因为 8 位数据位可以方便地表示一个字节的数据，能涵盖 ASCII 码字符、无符号整数（0 - 255）等多种数据类型。
数据编码与传输顺序：数据位按照从最低位（LSB - Least Significant Bit）到最高位（MSB - Most Significant Bit）的顺序依次传输。
例如，如果要传输一个字节0x55十六进制的数据（二进制：0101 0101），那么首先传输的是最右边的 1（LSB），最后传输的是最左边的 0（MSB）。
一个字节有八位，从左至右，位置分为为bit[0]位~bit[7]位,同样以0x55为例

十六进制				二进制
一个字节	bit[7]	bit[6]	bit[5]	bit[4]	bit[3]	bit[2]	bit[1]	bit[0]
0X55	0	1	0	1	0	1	0	1
bit[7]位为最高位，bit[0]为最低位，按照串口协议，发送数据位时，是先发送最低位，即先发送bit[0]位，最后发送bit[7]位，以下，以波形进行示例。
对以上过程进行总结（假如波特率为9600bps，则发送1个高/低电平时间需要1/9600秒）

串口空闲时，电平保持高电平，一直为1；
开始发送数据时，先发送一个起始位（0电平，持续时间1/9600秒），告诉接收端开始了通讯；
起始位发送后，数据位便紧接着开始发送，LSB低位先发，0X55二进制为0101 0101
从右至左开始发送，每位占用时间1/9600秒。
校验位和停止位的概念在下边，在这里，我们先多提一下，假如我们是偶校验，则这里校验位应该发送低电平（0），持续时间也是1/9600秒，随后的停止位便是一个持续的高电平组成，持续时间可以是1位，1.5位或2位bit周期，假如这里是2位bit周期，则停止位占用时间是2/9600秒。
由此可得，在9600bps下，发送一个数据帧，需要时间为1/9600（起始位）+8/9600（数据位）+1/9600秒（校验位）+2/9600秒（停止位）=12/9600秒=1.25毫秒。
如果不使用校验位，则耗费时间减少1/9600秒，速度将会更快。

奇偶校验位

是否使用奇偶校验位是可选的，用于简单的错误检测。它是根据数据位中 1 的个数来设置的。
例如：如果传输一个字节数据0X55（十六进制），0X55转换成二进制为0101 0101共计8位，这也对应一个字节数据有8位的概念，如果我们选择偶校验，由于数据中共有4个1，4为偶数，则该校验位应传输0，若该数据中有奇数个1，在选择偶校验情况下，该校验位应为1。

停止位

停止位是串口帧的结束标志，紧跟在数据位和奇偶校验位（如果有）之后。它是一个逻辑 1 电平，其持续时间可以是 1 位、1.5 位或 2 位bit周期。停止位的作用是让接收端知道一帧数据已经传输完毕，并且使接收端有足够的时间来处理接收到的数据，为下一次接收数据做准备。

串口（UART）典型问题

假如A向B发送一个01或者0011或者000111时，都是低电平再高电平，B是怎么判断信号是01、0011还是000111的？
对于串口来说，收发双发没有SCL这个时钟线，说明双方是时钟不同步的异步方式通信。

对于异步通信，通信双方必须要约定好波特率，则B可以掐时长的方式来判断，A是发送了几位数据。

如果约定波特率为1bps，则发送一位数据需要1s，B可以根据低电平的持续时间来判断该低电平包含了几位0，若该低电平持续2S，则该低电平信息为00。