UART（Universal Asynchronous Receiver/Transmitter，通用异步收发器）是一种广泛应用于嵌入式系统中的串行通信协议，用于设备间的数据传输。
1. UART的基本原理
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UART是一种异步通信协议，无需额外的时钟信号，通过约定的波特率实现通信。
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数据通过串行方式逐位传输，起始位和停止位用于标志数据的开始和结束。
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常见的帧格式包括：起始位（1位） + 数据位（5-8位） + 可选校验位 + 停止位（1或2位）。
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发送数据时，先发送低位再发送高位，例如发送0x55（01010101）时，数据格式为：空闲位 + 起始位 + 1 0 1 0 1 0 1 0（数据位） + 校验位 + 停止位 + 空闲位。
2. UART通信的关键参数
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波特率（Baud Rate）：表示每秒传输的位数（bps），常见波特率有9600、115200等，通信双方需要设置相同的波特率。
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数据位（Data Bits）：一帧数据中有效数据的长度，通常是8位。
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校验位（Parity Bit）：用于检测传输过程中是否有错误，可选奇校验、偶校验或无校验。例如：
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奇校验：发送数据中奇数个1时，校验位为0；偶数个1时，校验位为1。
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偶校验：发送数据中偶数个1时，校验位为0；奇数个1时，校验位为1。
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停止位（Stop Bit）：标志数据帧的结束，可以是1位或2位。
3. UART的工作流程
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发送端将数据写入发送寄存器（TX Buffer）。
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数据经过串行化后通过TX引脚输出。
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接收端通过RX引脚接收数据并存入接收寄存器（RX Buffer）。
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接收端将数据重新组帧并交给上层处理。
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接收方通过波特率及时间判定传输的数据内容和时序。
4. UART的硬件组成
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发送模块：负责数据的串行化，添加起始位和停止位。
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接收模块：负责接收串行数据，校验并重新组帧。
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波特率发生器：生成与设定波特率相符的时钟信号。
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FIFO寄存器：缓冲多字节数据，避免数据丢失。
5. UART的连接方式
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UART通信使用两条数据线实现全双工通信（TX和RX），总线需交叉接线，即发送端的TX连接到接收端的RX。
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半双工通信只需一条数据线，但无法同时进行发送和接收。
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设置引脚功能的本质是将引脚在芯片内部连接到相应的UART控制器。
6. UART的优缺点
优点：
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硬件简单，成本低。
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通信距离较长，可达几十米。
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使用方便，无需时钟同步。
缺点：
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通信速率有限，通常不超过1Mbps。
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不支持多设备总线通信。
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容易受噪声干扰，需要良好的信号调节。
7. UART寄存器与配置
UART控制器通过一系列寄存器实现数据传输、配置和状态管理。常见寄存器包括：
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数据寄存器（DR/THR/RHR）：
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用于存储要发送或接收的数据。
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写入数据寄存器表示发送，读取数据寄存器表示接收。
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波特率寄存器（Baud Rate Register）：
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用于设置通信波特率。
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通常需要分频器和系统时钟的配合来实现精确的波特率。
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控制寄存器（Control Register）：
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包含启用UART模块、设置数据位长度、校验位、停止位等配置项。
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状态寄存器（Status Register）：
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用于指示UART当前状态，例如发送缓冲区是否满、接收缓冲区是否有数据等。
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中断寄存器（Interrupt Register）：
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配置和管理UART的中断功能，例如接收数据完成中断、发送完成中断等。
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8. UART编程实现
以下是一个简单的UART初始化和数据收发流程示例（以STM32为例）：
#include "stm32f4xx.h"
void UART_Init(void) {
// 1. 配置波特率
USART1->BRR = 0x683; // 假设波特率为9600，时钟频率为16MHz
// 2. 启用发送和接收功能
USART1->CR1 |= USART_CR1_TE | USART_CR1_RE;
// 3. 启用UART外设
USART1->CR1 |= USART_CR1_UE;
}
void UART_SendChar(char c) {
while (!(USART1->SR & USART_SR_TXE)); // 等待发送缓冲区为空
USART1->DR = c;
}
char UART_ReceiveChar(void) {
while (!(USART1->SR & USART_SR_RXNE)); // 等待接收缓冲区有数据
return USART1->DR;
}
int main(void) {
UART_Init();
// 发送数据
UART_SendChar('H');
UART_SendChar('i');
// 接收数据并回显
char received = UART_ReceiveChar();
UART_SendChar(received);
while (1);
}9. UART与其他通信协议的比较
| 协议 | 类型 | 传输速度 | 是否同步 | 支持设备数量 |
|---|---|---|---|---|
| UART | 串行异步 | 较低（1Mbps以内） | 否 | 1对1 |
| SPI | 串行同步 | 较高（几十Mbps） | 是 | 1对多 |
| I2C | 串行同步 | 中等（几Mbps） | 是 | 多主多从 |
10. UART调试中的常见问题及解决方法
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波特率不匹配：确认发送端和接收端波特率一致。
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数据丢失：检查FIFO寄存器的溢出标志，确保软件及时读取数据。
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噪声干扰：缩短连线长度，增加屏蔽层，或降低波特率。
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校验失败：确认校验方式一致。
11. UART在实际项目中的应用
UART常用于以下场景：
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微控制器与传感器之间的数据通信。
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调试接口（如串口调试工具）。
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GPS模块、蓝牙模块、Wi-Fi模块的通信。
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工业设备的控制和监控。