UART接口的基础知识详解

UART俗称串口，是Universal Asynchronous Receiver/Transmitter（通用异步收发器）缩写。是常用的芯片与PC间，芯片间低速通信接口。UART是一种定义在数据链路层的通信协议，比较容易会和定义在物理层的RS232等电气协议混淆。这俩协议之间实际上并无包含关系，只是通常使用的串口是指满足UART通信协议且物理连接满足RS232电气特性的一种通讯方式。

如表1所示，UART通信协议显著特点就是无需时钟信号，仅需两根线即可完成全双工通信（此处不讨论带流控的4线情形）。

表1 UART接口信号

【UART帧结构】

图1 UART数据格式

图1为UART帧结构，UART帧由1bit起始位，5~9比特数据位，0~1bit奇偶校验位，1~2比特停止位组成。无数据帧发送时，总线空闲时发送空闲位。各域详细描述如下：

空闲位：多bit高电平，表征总线处于空闲状态。

起始位：1bit低电平，表征总线开始传输。在空闲状态时，侦测到1bit低电平则认为帧起始位。

数据位：5~8bit数据。数据按照LSB（低比特宣传）的方式发送。由于ASCII码位宽为8bit，因此通常数据位设置为8比特。

检验位：根据可配置可分为五种模式。

表2 UART Parity模式

停止位：帧结束标识。位宽可配置为1bit，1.5bit，2bit 3种情形。

波特率：数据传输速率使用波特率表示，单位bps（bits per second）。可配置选择有8种标准波特率，分别为1200，2400，4800，9600，19200，38400，57600，115200。比特宽度=（1/波特率）。如9600bps，比特宽度为1/9600≈104.17us。

由于UART传输机制中仅定义了数据帧，没有定义控制帧，因此上述描述中提到的可配置部分，通信双方需要提前配置一致方可进行通信。

【UART传输实例】

图2为UART接口传输Hi字符实例。UART在传递字符时，采用字符的ASCII作为编码方式。’H’字符ASCII码为0x48，’i’字符ASCII码为0x69

图2 UART传递“Hi”字符实例

【UART典型外围电路】

图3 UART典型外围电路

图3为UART应用的典型外围电路。通常从芯片输出的UART信号为CMOS电平（如本例中的3.3v），为了和PC进行连接一般需要将CMOS电平转换为RS232规定的电平标准，图中SP232E芯片就是该转换芯片，DB9为RS232规定的一种连接器规格，在UART应用时仅需要链接2/3/5PIN脚即可。硬件设计时需要注意，UART_RX方向最好预留上拉电阻位置，若接收方IO无弱上拉功能，则需要在板级进行弱上拉，以确保任何场景下能获得可靠的空闲状态。

【后记】

UART作为整个系列首个和大家探讨的数字接口，主要是由于其功能简单且应用广泛。而且大部分SOC芯片均选择通过UART作为Debug接口。芯片回片时，第一次启动通过串口打印出来的字符，像极了一颗新生命在说Hello world，那种感觉估计也只有同行才能懂。

UART在业界有名的几家IP供应商中都有成熟IP可以选用，且大部分半卖半送十分便宜。如果你胆子够大，甚至可以直接从网上获取开源代码使用。作为一名芯片爱好者和从业者，万事溯源是最基本的职业素养。然而遗憾的是，截止本文完成时，仍未找到有关UART通信协议详细起源，以及协议具体维护组织，大致推断可能和几篇美国专利有关，如有了解的同学忘留言告知。