协议篇之UART协议

一、写在前面

  由于设计需要，需要入门学习一下UART协议。本文主要学习UART协议的数据帧结构。

二、UART协议简介

  通用异步收发传输协议（Universal Asynchronous Receiver/Transmitter Protocol，UART）是一种在计算机、嵌入式系统和其他电子设备之间传输数据的通信协议。它使用串行全双工通信来传输数据，发送和接收设备之间的数据传输是异步的，也就是说，每个比特都是按照预定义的时间间隔传输的，而不是在固定的时钟周期内进行传输。
  UART协议通常使用RS-232或RS-485等物理层协议来连接发送和接收设备。由于UART协议是一种简单、易于实现的协议，因此它在很多应用中得到广泛应用，例如串口通信、控制台、模块通信等。在工业、汽车、医疗和家庭等领域，UART协议都有着广泛的应用。

三、UART协议数据帧结构

  UART协议中传输数据是串行传输的，其数据帧结构通常包含以下几个部分：

• 起始位（Start Bit）：一个低电平的比特，用于标识数据传输的开始；
• 数据位（Data Bits）：包含要传输的数据的比特数，通常是5、6、7或8个比特。数据可以是数字、字母、符号或二进制数据；
• 奇偶校验位（Parity Bit）：可选的比特，用于验证数据的正确性。奇偶校验位的值可以是奇校验或偶校验，它们根据数据位中1的个数确定；
• 停止位（Stop Bit）：一个时钟高电平的比特，用于标识数据传输的结束；

  值得注意的是，UART数据帧结构的长度和内容可以根据需要进行调整，但它们必须在发送和接收设备之间协商一致，以确保数据的正确传输。

  UART完整的数据帧结构如下图所示（这里不包含校验位）。

3.1 UART发送过程

  在UART数据发送的过程中，发送设备会先发送一个起始位START，然后发送数据位DATA（数据位的发送是先发送低位，后发送高位），然后发送可选的奇偶校验位PARITY（一般不设置奇偶校验位），最后发送一个停止位STOP。

3.2 UART接收过程

  UART数据接收的过程，与UART数据发送的过程是差不多的，接收设备会一直等待发送设备的一个低电平的起始位。当接收到起始位，接收设备将开始接收发送设备发送的数据位，并将多比特的数据存储在缓冲区中。然后如果使用了奇偶校验位，接收设备需要使用接收到的奇偶校验位来校验数据位，验证接收到的数据是否正确。然后等待停止位的到来，结束一帧数据的接收，并将接收到的数据从缓冲区中读出，等待下一帧数据的到来。

四、UART传输速率

  UART协议的数据传输速率有多种，其中我们常用的波特率有4种：9600bps、19200bps、38400bps和115200bps。

• 9600bps：UART通信中最常见的传输速率之一，适用于大多数低速数据传输应用；
• 19200bps：中等速度的传输速率，适用于一些需要快速传输数据的应用；
• 38400bps：较快的传输速率，适用于需要更快数据传输速度的应用；
• 115200bps：UART通信中更快的传输速率，适用于需要非常快速数据传输速度的应用；

  同样的，UART的传输速率必须保证发送设备与接收设备之间一致，否则发送设备无法传输正确的数据到接收设备。
  波特率表征串口传输的速率，比如串口波特率为9600bps，那么表示1秒可以传输9600bit，那么，每个比特传输的时间为：

$1000000000ns/9600=104166ns$

  如果我们给系统约束的系统时钟频率为50MHz，则系统时钟周期为20ns，也就是说，每个比特传输的时钟周期个数为：

$104166/20=5208$

  也就是说，在系统时钟频率为50MHz的情况下，传输每个比特需要保持5208个时钟周期不变。

  在这里，需要补充一个重要概念：波特率Baud与比特率Bit Rate是两个不同的概念。波特率与比特率的关系也可换算成：

                          比特率 = 波特率 * 单个调制状态对应的二进制位数

  而在串口传输中，由于采用二进制传输，数值非0即1，所以在串口传输中，波特率与比特率的关系如下：

                                      比特率 = 波特率

五、写在最后

  在本文中，我们学习了UART数据帧结构以及UART协议中一些基本的概念。欢迎评论区友好交流批评指正！！！