UART 体系结构

1万 · 2019-3-8 08:51

1 概述

UART：Universal Asynchronous Receiver Transmitter，通用异步收发器

即为嵌入式领域最为常说的串口。最常用的波特率为 9600bps、115200bps

“异步”是指不需要额外的时钟线进行数据的同步传输，是一种串行总线接口，只用两根线就可以完成数据的收发：一根线上发送数据，另一根线接收数据

发送和接受时，数据是逐位传输

2 物理层帧格式

由起始位、数据位、校验位和停止位组成

UART 空闲（IDLE）时（没有数据传递），总线为高电平（逻辑1）

开始数据传输时，首先发送起始位（低电平，逻辑0），然后再逐位传输数据（LSB --> MSB），数据传输完成后，有校验位则传输1位校验位，再传一位停止位（逻辑1，高电平）。至此，数据传输完成，UART 重回 IDLE 状态，总线上的电平为高

具体位解析：

起始位（1位，必须）

起始位是TX告知RX，数据传输即将开始。而RX无论何时，只要检测到低电平，就开始逐位接收数据。

数据位

顾名思义，数据位是用来传输信息的。长度可以说5、6、7、8位。收/发双方需要在数据传输前，对双方的数据位作一致的定义。最常用的是 8 位

校验位（1位，可选）

为了保证数据传输的安全性而设。不是强制的，距离短确定无干扰的环境，为提高传输速度，可不用此位。在数据长距离传输时，UART使用 RS-232、RS-485 传输，在传输的导线较长时，如遇干扰，会导致传输的数据错误（1变0，0变1）。加上校验位的话，接受端可做检验。如果校验出错，说明数据不可信，直接丢弃；校验通过的话，数据初步可信，进入下一级校验，通常在通信协议里再做一次校验收/发双方，事先应商定好是否需要校验位。不需要，则罢；需要，则可选奇校验或偶校验

偶校验：数据位中的“1”的个数为偶数时，校验位为 0；数据位中的“1”的个数为奇数时，校验位为 1；即：保证数据位和校验位中1的个数为偶数

奇校验：数据位中的“1”的个数为偶数时，校验位为 1；数据位中的“1”的个数为奇数时，校验位为 0；即：保证数据位和校验位中1的个数为奇数

两个校验位的示例图：

停止位

停止位当然是告诉 RX 停止传输了。它的位数比较特别，可以说1位、1.5位、2位停止位始终为逻辑 1 （高电平）

空闲位

TX 传输完成，RX 不能休息，其要始终盯着 URAT 总线上电平变化。。。

1万 · 2019-3-8 08:52

3 电气层

UART 传输信号线最少只要两根线，TX 和 RX

3.1 TTL

TTL：Transistor-Transistor Logic

单片机 (MCU) 内一般皆实现仅有 TX/RX 两根线的串口，通常称这类串口为 TTL Serial

Signal = 1 (HIGH): +5V / +3.3V
Signal = 0 (LOW): 0V

3.2 RS232

RS232: Recommended Standard 232

RS-232 标准(TIA-232) 由 TIA (Telecommunications Industry Association) 定义。其定义了接口的物理特性和电气特性。

RS-232 is practically identical to ITU V.24 (signal description and names) and V.28 (electrical)

RS232 is an Active LOW voltage driven interface and operates at +12V to -12V where:

Signal = 1 (HIGH): < -3.0V (MARK) (-15V ~ -3V)
Signal = 0 (LOW): > +3.0V (SPACE) (+3V ~ +15V)

除 TX 与 RX 线外，其还有多条其他的信号线：RTS, CTS, DSR, DTR, DCD, RI, GND 等

3.3 RS485

RS485采用差分信号负逻辑：

Signal = 1 (HIGH): +2V ～ +6V
Signal = 0 (LOW): -6V ～ -2V

RS485有两线制 (A, B) 和四线制 (A, B, Y, Z) 两种接线，四线制只能实现点对点的通信方式，现很少采用。

现在多采用的是两线制接线方式。在RS485通信网络中一般采用的是主从通信方式，即一个主机带多个从机。

RS485 的理论最长传输距离能达到 1200米，实际应用中要比1200米短，具体能传输多远视周围环境而定。在传输过程中可以采用增加中继的方法对信号进行放大，最多可以加 8 个中继，此时 RS485 的最大传输距离可以达到 9.6KM

1万 · 2019-3-8 08:53

4 常见芯片4.1 TTL RS232 一体

目前 PC 平台上，最常见的就是类 16550A 实现，CPU 主要通过 D0 - D7 数据口、A0 - A2 寄存器选择口操控 8250/16550，8250/16550 出来的信号就是 RS232

8250 老芯片，始于 IBM XT，最高波特率应该是 9600bps

16450 最高波特率 38400bps，无收发缓存，收或发一个字节就要一次软件处理，高速下 CPU 负担会很重

16550A 最高波特率 115200bps，收发各有一个 32 字节的 FIFO Buffer，高速下，CPU负担低

[8250 Datasheet]

[16550 Datasheet]

4.2 TTL 转 RS232

常用 SP232、MAX232、UT3232、 SP3232、 MAX3232...

SP232 datasheet

SP3232 datasheet

4.3 TTL 转 RS485

常用 MAX485，ISL3152E，ADM2483，ISO3082，ADM2587

硬件设计参考此页：RS485

5 类 16550 寄存器结构

DLAB 是 LCR 寄存器的 LCR[7]

UART Register

16550 Datasheet

1万 · 2019-3-12 00:12

图片都打不开了。

UART 体系结构

技术高手奖章

湍急之河流

精华达人奖章

常驻人口