UART接口介紹

　　通用異步收發(fā)傳輸器（Universal Asynchronous Receiver/Transmitter），通常稱作UART，是一種異步收發(fā)傳輸器，是電腦硬件的一部分。它將要傳輸?shù)馁Y料在串行通信與并行通信之間加以轉(zhuǎn)換。作為把并行輸入信號轉(zhuǎn)成串行輸出信號的芯片，UART通常被集成于其他通訊接口的連結(jié)上。

　　UART是一種通用串行數(shù)據(jù)總線，用于異步通信。該總線雙向通信，可以實現(xiàn)全雙工傳輸和接收。在嵌入式設(shè)計中，UART用于主機與輔助設(shè)備通信，如汽車音響與外接AP之間的通信，與PC機通信包括與監(jiān)控調(diào)試器和其它器件，如EEPROM通信。

　　UART通信協(xié)議

　　UART用一條傳輸線將數(shù)據(jù)一位位地順序傳送，以字符為傳輸單位，通信中兩個字符間的時間間隔多少是不固定的， 然而在同一個字符中的兩個相鄰位間的時間間隔是固定的，數(shù)據(jù)傳送速率用波特率來表示， 指單位時間內(nèi)載波參數(shù)變化的次數(shù)， 或每秒鐘傳送的二進制位數(shù)，

　　如每秒鐘傳送240個字符， 而每個字符包含10位（1個起始位， 1個停止位， 8個數(shù)據(jù)位）， 這時的波特率為2400Bd。

　　傳輸時序如下圖：

　　在UART中，信號線上共有兩種狀態(tài)， 分別用邏輯1（高電平）和邏輯0（低電平）來區(qū)分

　　在空閑時， 數(shù)據(jù)線應(yīng)該保持在邏輯高電平狀態(tài)

　　其中各位的意義如下：

　　起始位（Start Bit）：先發(fā)出一個邏輯0信號， 表示傳輸字符的開始

　　數(shù)據(jù)位（Data Bits）：可以是5~8位邏輯0或1. 如ASCII碼（7位）， 擴展BCD碼（8位）小端傳輸

　　校驗位（Parity Bit）：數(shù)據(jù)位加上這一位后， 使得1的位數(shù)應(yīng)為偶數(shù)（偶校驗）或奇數(shù)（奇校驗）

　　停止位（Stop Bit）：它是一個字符數(shù)據(jù)的結(jié)束標(biāo)志。 可以是1位、1.5位、2位的高電平

　　空閑位：處于邏輯1狀態(tài)， 表示當(dāng)前線路上沒有資料傳送

　　UART基本結(jié)構(gòu)

　?、泡敵鼍彌_寄存器，它接收CPU從數(shù)據(jù)總線上送來的并行數(shù)據(jù)，并加以保存。

　?、?輸出移位寄存器，它接收從輸出緩沖器送來的并行數(shù)據(jù)，以發(fā)送時鐘的速率把數(shù)據(jù)逐位移出，即將并行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為串行數(shù)據(jù)輸出。

　　⑶ 輸入移位寄存器，它以接收時鐘的速率把出現(xiàn)在串行數(shù)據(jù)輸入線上的數(shù)據(jù)逐位移入，當(dāng)數(shù)據(jù)裝滿后，并行送往輸入緩沖寄存器，即將串行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成并行數(shù)據(jù)。

　?、?輸入緩沖寄存器，它從輸入移位寄存器中接收并行數(shù)據(jù)，然后由CPU取走。

　?、煽刂萍拇嫫鳎邮誄PU送來的控制字，由控制字的內(nèi)容，決定通信時的傳輸方式以及數(shù)據(jù)格式等。例如采用異步方式還是同步方式，數(shù)據(jù)字符的位數(shù)，有無奇偶校驗，是奇校驗還是偶校驗，停止位的位數(shù)等參數(shù)。

　　⑹狀態(tài)寄存器。狀態(tài)寄存器中存放著接口的各種狀態(tài)信息，例如輸出緩沖區(qū)是否空，輸入字符是否準(zhǔn)備好等。在通信過程中，當(dāng)符合某種狀態(tài)時，接口中的狀態(tài)檢測邏輯將狀態(tài)寄存器的相應(yīng)位置“1”，以便讓CPU查詢。

　　UART通信速率

　　數(shù)據(jù)傳輸可以首先從最低有效位（LSB）開始。然而，有些UART允許靈活選擇先發(fā)送最低有效位或最高有效位（MSB）。微控制器中的UART傳送數(shù)據(jù)的 速度范圍為每秒幾百位到1.5Mb。例如，嵌入在ElanSC520微控制器中的高速UART通信的速度可以高達1.152Mbps。UART波特率還受 發(fā)送和接收線對距離（線長度）的影響。

　　目前，市場上有只支持異步通信和同時支持異步與同步通信的兩種硬件可用于UART。前者就是UART名字本身的含義，在摩托羅拉微控制器中被稱為串行通信 接口（SCI）；Microchip微控制器中的通用同步異步收發(fā)器（USART）和在富士通微控制器中的UART是后者的兩個典型例子。

　　UART工作原理

　　發(fā)送數(shù)據(jù)過程：空閑狀態(tài)，線路處于高電位；當(dāng)收到發(fā)送數(shù)據(jù)指令后，拉低線路一個數(shù)據(jù)位的時間T，接著數(shù)據(jù)按低位到高位依次發(fā)送，數(shù)據(jù)發(fā)送完畢后，接著發(fā)送奇偶校驗位和停止位（停止位為高電位），一幀數(shù)據(jù)發(fā)送結(jié)束。

　　接收數(shù)據(jù)過程：空閑狀態(tài)，線路處于高電位；當(dāng)檢測到線路的下降沿（線路電位由高電位變?yōu)榈碗娢唬r說明線路有數(shù)據(jù)傳輸，按照約定的波特率從低位到高位接收數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)接收完畢后，接著接收并比較奇偶校驗位是否正確，如果正確則通知后續(xù)設(shè)備準(zhǔn)備接收數(shù)據(jù)或存入緩存。

　　由于UART是異步傳輸，沒有傳輸同步時鐘。為了能保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)恼_性，UART采用16倍數(shù)據(jù)波特率的時鐘進行采樣。每個數(shù)據(jù)有16個時鐘采樣，取中間的采樣值，以保證采樣不會滑碼或誤碼。一般UART一幀的數(shù)據(jù)位數(shù)為8，這樣即使每個數(shù)據(jù)有一個時鐘的誤差，接收端也能正確地采樣到數(shù)據(jù)。

　　UART的接收數(shù)據(jù)時序為：當(dāng)檢測到數(shù)據(jù)的下降沿時，表明線路上有數(shù)據(jù)進行傳輸，這時計數(shù)器CNT開始計數(shù)，當(dāng)計數(shù)器為24=16+8時，采樣的值為第0位數(shù)據(jù)；當(dāng)計數(shù)器的值為40時，采樣的值為第1位數(shù)據(jù)，依此類推，進行后面6個數(shù)據(jù)的采樣。如果需要進行奇偶校驗，則當(dāng)計數(shù)器的值為152時，采樣的值即為奇偶位；當(dāng)計數(shù)器的值為168時，采樣的值為“1”表示停止位，一幀數(shù)據(jù)接收完成。

　　一個標(biāo)準(zhǔn)的10位異步串行通信協(xié)議（包含1個起始位、1個停止位和8個數(shù)據(jù)位）收發(fā)時序，如圖2所示

　　圖2.10位標(biāo)準(zhǔn)串行通信協(xié)議收發(fā)時序圖