UART 通信学习笔记

一、UART 概述

UART（Universal Asynchronous Receiver/Transmitter，通用异步收发器）是一种异步串行通信协议，用于在设备之间**逐位（bit-by-bit）**传输数据。

关键词：异步（无时钟线）、串行（一位一位发）、全双工（可同时收发）。

二、硬件连接（核心）

UART 最少仅需2 根信号线即可通信：

连接方式（交叉连接）

设备 A 设备 B
TX ------> RX
RX <------ TX
GND ------- GND

⚠️注意：TX 接 RX，RX 接 TX，千万不要直连！

三、数据帧结构（协议核心）

UART 没有时钟线，依靠约定好的时间间隔来解析数据。

1️⃣ 一帧数据的组成

空闲位 → 起始位 → 数据位 → 校验位（可选） → 停止位

2️⃣ 起始位详解

起始位是异步通信的“同步锚点”。

• 电平特征：从高电平跳变到低电平（下降沿）。
• 时间宽度：Tstart=1BaudRateT_{start} = \dfrac{1}{\text{BaudRate}}Tstart​=BaudRate1​秒。
• 核心作用：
  1. 唤醒接收方：通知接收方数据即将到来。
  2. 校准采样点：接收方检测到下降沿后，启动内部定时器，并在每位数据的正中间进行采样（通常为第 1.5 个 Bit 时间处开始采第一位数）。
  3. 消除累积误差：每接收到一个新字节，时钟重新同步一次。

3️⃣ 停止位详解

停止位是帧的“结束标志”和“缓冲区”。

• 电平特征：拉回高电平（上升沿）。
• 时间宽度：
  • 1 位停止位：1BaudRate\dfrac{1}{\text{BaudRate}}BaudRate1​秒
  • 1.5 位停止位：1.5BaudRate\dfrac{1.5}{\text{BaudRate}}BaudRate1.5​秒（主要用于欧洲标准）
  • 2 位停止位：2BaudRate\dfrac{2}{\text{BaudRate}}BaudRate2​秒
• 核心作用：
  1. 标志结束：明确告知接收方该字节已传输完毕。
  2. 提供缓冲时间：给接收方的硬件（UART 控制器）留出处理时间，将数据移入内存，准备接收下一帧。
  3. 防止帧粘连：确保两帧之间有明确的电平跳变间隔。

4️⃣ 时间宽度统一公式

每一个比特（Bit）的持续时间都是相同的：

Tbit=1BaudRate (秒)T_{bit} = \frac{1}{\text{BaudRate}} \text{ (秒)}Tbit​=BaudRate1​(秒)

举例：波特率为9600 bps

• 每位时间 =1/9600≈104.17μs1 / 9600 \approx 104.17 \mu s1/9600≈104.17μs
• 起始位 =104.17μs104.17 \mu s104.17μs
• 数据位 =8×104.17μs=833.36μs8 \times 104.17 \mu s = 833.36 \mu s8×104.17μs=833.36μs
• 停止位 =104.17μs104.17 \mu s104.17μs

5️⃣ 标准配置示例

8N1：8 位数据 + 无校验 + 1 位停止位 （最常用）

四、波特率（Baud Rate）

波特率 = 每秒传输的符号数（bps）。

波特率误差

双方设备的波特率允许存在±2% ~ ±3%的误差，否则会导致采样错位，产生乱码。

五、UART 工作流程

发送端 (TX)

1. 空闲时保持高电平。
2. 拉低电平，发送起始位（持续1/BaudRate1/BaudRate1/BaudRate秒）。
3. 从低位（LSB）到高位，逐位发送数据位。
4. 发送校验位（若启用）。
5. 拉高电平，发送停止位（持续n/BaudRaten/BaudRaten/BaudRate秒）。

接收端 (RX)

1. 监听：持续监测 RX 线电平。
2. 触发：检测到高 → 低的下降沿（起始位）。
3. 采样：启动定时器，在每位数据的中间时刻读取电平。
4. 校验：检查奇偶校验位（若启用）。
5. 停止：确认停止位为高电平，将接收到的字节存入缓冲区。

六、电气标准（物理层）

UART 是逻辑协议，具体电平由物理层标准决定：

⚠️电平匹配警告：3.3V MCU 不能直接接 5V UART，需电平转换芯片（如 TXS0108E）。

七、流控（Flow Control）

防止接收方处理不过来导致数据丢失。

八、UART vs SPI vs IIC

九、常见问题与坑点

十、STM32 中的 UART (USART)

STM32 内部集成USART 外设（支持同步/异步）。

十一、一句话总结

UART 是最简单、最稳定的串行通信方式。其核心在于“异步”，通过起始位和停止位界定数据边界，每个比特的持续时间严格等于 1/波特率 秒。