UART-通用异步收发器

1. UART的基本工作原理

UART通信主要有两个部分构成：发送器和接收器，也就是我们常见的（RX接收，TX发送）两个独立的线路来实现数据的双向传输，由于是异步的，UART并不需要时钟信号，而是通过设定一定的波特率来进行双方的通信，可以理解为协议。

在UART中，数据规定通过固定的格式进行发送，格式形式（起始位，数据位校验位，停止位）

        起始位：用于通知接收端即将开始数据传输，通常是一个低电平。

        数据位：就是我们要发送的数据内容，一般是5-9位。

        校验位：用于错误检测，可选

        停止位：表示数据结束，通常位高电平

这些格式构成一个数据帧，主机与从机通信的时候就是通过一帧一帧的数据进行通信。

那么我们就来简单举一个例子：

在UART通信中，如果启用了校验位，通常采用奇校验或偶校验来检测传输过程中可能出现的单比特错误。具体来说，校验位是一位额外的数据位，通过对前面的数据位进行“加和”判断奇偶性来确定其值。接收端通过计算收到的数据位和校验位的奇偶性，判断数据是否完整正确。

假设发送的数据为01000001（即ASCII字符“A”），8位数据中包含两个“1”，是偶数个：

• 奇校验：校验位设为1，使得整个数据帧的“1”位总数为奇数。
  • 最终发送的帧：起始位 (0) | 01000001 | 校验位 (1) | 停止位 (1)
• 偶校验：校验位设为0，使得整个数据帧的“1”位总数为偶数。
  • 最终发送的帧：起始位 (0) | 01000001 | 校验位 (0) | 停止位 (1)

那么我们就可以根据例子来总结得到，校验位的作用：

当我们规定校验方式为奇校验的时候，1的个数要为奇数，如果现在数据（一串二进制码例如上面的01000001）当中 有两个1，那么校验位就位1，现在有3个1。接收端接收到数据帧之后，会按照格式读取数据帧，首先读取起始位，一般位0，那么从机就知道接下来的二进制就是数据位，由于于我们规定了数据位的个数，一般是（5-9）位，然后是校验位这里是1，停止位。数据读取完毕，如果这时候计算得到的数据位当中的1和校验位的1个数相加为奇数，那么数据没有错误，如果相加为偶数，则数据传输出现错误。

当我们规定校验方式为偶校验的时候，数据位中1的个数加上校验位中1的个数要为偶数，否则数据传输出现错误。

当然，校验位只能用于单个数据帧的检验，并不能用于多个数据帧的检验

 

2. 实现UART发送功能

UART的发送过程涉及将要发送的数据（通常是8位）转换为串行格式，然后按位输出到Tx引脚。

步骤：

1. 配置波特率：设定UART模块的波特率，以确保发送端和接收端的波特率一致。
2. 加载数据：将要发送的数据写入UART发送缓冲区。
3. 起始位：设置Tx引脚为低电平（0），通知接收端即将开始发送数据。
4. 发送数据位：从最低有效位（LSB）开始依次发送每一位数据。
5. 校验位（可选）：如果启用了校验位，则按照设定的校验规则添加校验位。
6. 停止位：发送1位或2位的高电平，表示数据传输结束。
7. 等待传输完成：通常通过检查发送缓冲区是否为空或传输完成标志位。

 配置UART的波特率（Baud Rate）是实现UART通信的关键步骤之一。波特率决定了每秒钟传输的位数，通常发送端和接收端必须设置相同的波特率，才能保证通信的同步

波特率的单位：bit/s，也就是每秒钟传输位数的多少，那么我们要如何配置波特率呢？

1. 波特率计算公式

        不同的MCU或者处理器通常都会有一个波特率生产寄存器，比如在中断当中，就有一个（UART_BRR寄存器）我们通过设置这个寄存器的值，就能够产出需要的波特率。具体的计算公式如下：

其中：

• 时钟频率：MCU主时钟频率(如16 MHz、8 MHz)。
• 分频因子：通常为8或16，具体取决于MCU的UART模块设置。
• 寄存器值：设置在UART模块的波特率寄存器中，用于配置实际波特率。

 

 那么UART_BRR是一个16位的寄存器，UART_BRR寄存器的16位通常分为两个部分：

1. DIV_Mantissa（整数部分）：通常占高12位（[15:4]位）。
2. DIV_Fraction（小数部分）：通常占低4位（[3:0]位）。

所以，UART_BRR寄存器最终的16位值为0x0673（104的十六进制为0x67，小数部分为3）。将这个值写入UART_BRR寄存器，即可实现9600的波特率。通过这样，就能配置波特率。

2.缓冲区？

那么将要发送的数据写入UART发送缓冲区。缓冲区具体指的是什么？

在UART通信中，“缓冲区”是指一个临时存储区域，用于存放即将发送或刚接收的数据。UART缓冲区一般分为发送缓冲区和接收缓冲区，目的是让数据的读写过程更加顺畅和稳定，避免传输速度与数据处理速度不匹配的问题。

 其实，缓冲区也是一个寄存器，在发送的时候，

1. 发送缓冲区

发送缓冲区：是用来暂时存储即将通过UART发送出去的数据。当数据进入缓冲区，也就是寄存器的时候，UART硬件会从缓冲区中取出数据，通过TX引脚发送数据出去，

• 作用：当程序将数据写入发送缓冲区后，UART硬件会从缓冲区逐位取出数据，通过TX引脚发送出去。
• 常见实现：
  • 单字节寄存器：一些简单的UART实现只有一个字节大小的发送寄存器，比如USART_DR寄存器（在STM32中）。每次只能写入一个字节，硬件在发送完该字节后会触发“发送缓冲区空”标志。
  • 多字节缓冲区：为了提高效率，某些系统会使用一个环形缓冲区（FIFO队列），可以存放多个字节。这样，程序可以在较短时间内将多字节数据写入发送缓冲区，而UART硬件会逐字节从缓冲区取数据发送出去。

2. 接收缓冲区

接收缓冲区：用来暂时存储UART接收到的数据，当数据从RX引脚接收后，UART硬件将数据暂时存入到接收缓冲区当中，当接收缓冲区满时，UART会设置一个标志位或触发一个接收中断，通知主程序读取数据。主程序读取缓冲区中的数据后，标志位会被清除，表示接收缓冲区可以接收新的数据。

• 作用：当数据通过RX引脚接收后，硬件会将其存入接收缓冲区中。这样，程序可以在稍后再读取数据，而不必完全同步于硬件的接收速度。
• 常见实现：
  • 单字节寄存器：类似于发送缓冲区，一些简单的UART实现也会有单字节的接收寄存器。当接收到一个字节的数据时，UART会触发“接收缓冲区满”标志，通知程序读取。
  • 多字节缓冲区：为了避免数据丢失，UART也可以使用多字节环形缓冲区，允许接收端在不忙时读取数据，特别适合高波特率和连续数据的应用。

以发送缓冲区为例，典型的工作过程如下：

1. 加载数据：程序将数据写入发送缓冲区。
2. UART发送：UART硬件从发送缓冲区中逐字节取出数据，通过TX引脚发送出去。
3. 缓冲区管理：如果使用的是单字节寄存器，发送完一个字节后，缓冲区标志会被清空，表示可以加载新的数据；如果是多字节缓冲区，UART硬件会持续发送，直到缓冲区为空。

 

3. 实现UART接收功能

UART接收过程则是将接收端Rx引脚上的串行数据转换为并行数据，再读入接收缓冲区。

步骤：

1. 等待起始位：UART接收器持续监测Rx引脚，检测到低电平即认为接收到了起始位，准备接收数据。
2. 采样数据位：根据波特率和位时间（Bit Time），依次采样数据位。
3. 校验位（可选）：如果启用了校验，验证接收到的数据是否满足校验要求。
4. 停止位检测：检查停止位是否为高电平，确认数据完整性。
5. 存储数据：将接收到的数据写入接收缓冲区，等待上层程序读取。

4. 中断方式实现UART收发

在实际应用中，常用UART中断来实现非阻塞的收发数据，避免程序在等待数据时挂起。

• 发送中断：在发送数据时，可以通过发送完成中断通知处理器开始下一次发送。
• 接收中断：在接收数据时，可以通过接收中断通知处理器有新数据可读。

 UART可以通过接收中断通知主程序有新数据可读。中断触发时，程序可以立即读取数据并处理。中断触发，程序从缓冲区当中读取数据。

以下是UART接收中断的典型工作流程：

1. 接收数据：UART硬件从RX引脚接收到数据后，会将数据存入接收缓冲区中。

2. 触发中断：数据存入接收缓冲区后，UART硬件会设置一个“接收中断标志位”（或称为“接收缓冲区满”标志位），然后触发接收中断。

3. 中断服务程序（ISR）处理：

   • 在接收中断服务程序（Interrupt Service Routine, ISR）中，程序可以检查接收缓冲区是否有新数据。
   • 如果有新数据，ISR会从接收缓冲区中读取数据，存入用户定义的变量或缓冲区，供进一步处理。

4. 清除标志位：读取数据后，接收缓冲区的标志位会被清除，这样UART硬件可以接收新的数据。