UART（通用异步收发传输器）是一种异步串行通讯协议，它不需要共享时钟信号，仅通过两根数据线（TX\RX）即可实现全双工通信。理解UART的核心，在于理解它如何通过”数据帧“的格式来在无时钟的情况下保持收发双方的同步。

核心原理：无时钟如何同步？

UART是异步通信，意味着发送方和接收方没有共享的时钟线。为了让接收方能正确解读数据，UART通过特定的数据帧格式来实现同步：

  1. 起始位：数据在空闲时保持高水平。当发送方拉低电平一个波特率周期时，接收方检测到这个下降沿，就知道一阵数据开始了，并以此校准自己的采样时钟。
  2. 数据位：紧接着起始位之后发送，通常是5-8位。UART协议约定最低有效位先发送。
  3. 校验位（可选）：用于简单的错误检测。可以是偶校验（使数据位中的“1”的总数为偶数）或奇校验。
  4. 停止位：发送方将数据线拉高1或2个周期，标志一帧数据结束。高电平的停止位也为接收方提供了必要的缓冲时间，以处理时钟可能存在的微小误差。

关键参数

要成功通信，双方必须事先约定好以下参数，否则会乱码：

  • 波特率：衡量传输速率的指标，表示每秒传输的符号数。常见的波特率有9600、115200等。收发双方波特率必须一致。
  • 数据位长度：一帧中实际数据位的数量，通常为8位。
  • 停止位长度：可以是1、1.5、或2位。停止位越多，同步容忍度越高，单传输速率越低。
  • 奇偶校验：用于检测但比特错误，可设置为奇校验、偶校验或无校验。

常见误区：UART vs. USART

UART仅支持异步模式，而UART（通用同步/异步收发传输器）是UART的增强版，它同时支持异步和同步模式。在同步模式下，UART会额外传输一根时钟线，从而实现更高的传输速率（可达4Mbps以上），并且可以支持IrDA\LIN等多种协议。

硬件连接与电平

  • 基本连线：最简单的UART连接只需要交叉连接TX和RX，并共地。
  • 逻辑电平：在芯片之间（如两块单片机），通常直接用TTL电平（0V为逻辑0，3.3V或5V为逻辑1）。但如果要与老式PC的串口通信，则需要通过MAX232等芯片转换为RS-232标准的双极性电平（正负电压表示0和1）。

适用场景

UART因其简单、成本低、所需引脚少，非常适合低速、点对点的通信场景，例如：

  • 调试嵌入式系统，输出日志信息。
  • 连接GPS、蓝牙模块等外设。
  • 工业控制设备之间的短距离数据交换。