在SPI中有SCLK，在I2C中有SCK，這種有時(shí)鐘的傳輸方式叫同步傳輸，有時(shí)鐘做參考可以方便接收端對接受數據的判決，但同時(shí)也帶來(lái)一些限制，比如：
需要一根多余的連線(xiàn)用于時(shí)鐘信號
因為需要時(shí)鐘的邊沿對數據進(jìn)行采樣判決，時(shí)鐘的帶寬至少要是數據帶寬的2倍，因此也就限制了系統的數據傳輸速率
長(cháng)距離傳輸的時(shí)候數據信號和時(shí)鐘信號容易失去同步（即便倆人一起跑步，速度越快越不容易步調一致）
串行通信（同步）
所以，傳輸要往高速走，同步串行的傳輸方式就力不從心了，雖然可以在同樣時(shí)鐘頻率的情況下靠增加數據線(xiàn)來(lái)提高傳輸的數據量（SD卡就這么干的），但信號線(xiàn)越多，也就越難同步，最后搞得跟并行傳輸一樣了。
并行通信（PCB的布線(xiàn)在高速時(shí)將變得非常困難）
因此更高速的傳輸最好是采用異步的方式，也就是說(shuō)不再有多余的時(shí)鐘信號線(xiàn)跟著(zhù)，傳輸的信號線(xiàn)中只有數據信號，異步傳輸不僅能夠節省連線(xiàn)，同時(shí)還可以提高傳輸速度，比如USB、以太網(wǎng)。。。這種快到10Gbps的傳輸都只能靠異步的方式。
今天我們要講的UART（通用異步接收/發(fā)送）就是一種異步的傳輸方式，不過(guò)它是相對低速的（最低1200bps），這是因為它生下來(lái)的時(shí)候人們的想象力還非常有限，能用9.6Kbps傳傳數據已經(jīng)非常開(kāi)心了，2000年前通過(guò)模擬電話(huà)線(xiàn)Modem傳57.6Kbps的數據（收發(fā)郵件、網(wǎng)頁(yè)瀏覽）已經(jīng)感覺(jué)飛快了。
現在幾乎每個(gè)MCU都標配UART，主要的功能是用來(lái)跟上位機連接的，以便讓上位機對其進(jìn)行調試或者執行簡(jiǎn)單的數據通信，比如顯示一下?tīng)顟B(tài)、傳遞幾個(gè)命令等。如果需要高速的數據傳輸？不是有USB了么！經(jīng)過(guò)近20年的演進(jìn)，USB 已經(jīng)從最早的1.5Mbps一路升級到12Mbps、480Mbps、現在的10Gbps，USB已經(jīng)承擔了兩個(gè)系統之間高速數據傳輸的主要重擔。
UART雖然速率比較低，但卻不可或缺，估計全世界的硬件工程師沒(méi)有沒(méi)和UART打過(guò)交道的。這個(gè)世界的科技發(fā)展變得再快，這種最簡(jiǎn)單、粗暴的數字通信方式也將像常青樹(shù)一樣一直陪伴著(zhù)我們，一如過(guò)去的幾十年。
UART的工作原理
UART（Universal Asynchronous Receiver/Transmitter，翻譯過(guò)來(lái)叫通用異步收發(fā)） 其實(shí)不是像SPI和I2C這樣的通信協(xié)議，而是MCU（微控制器）中的物理電路或獨立的IC，它的主要用途是發(fā)送和接收串行數據。
在UART通信中，兩個(gè)UART可以直接相互通信。 發(fā)送UART將來(lái)自CPU等控制設備的并行數據轉換為串行格式，并將其串行發(fā)送到接收端的UART，接收UART將串行數據轉換回接收設備的并行數據。 在兩個(gè)UART之間傳輸數據只需要兩根線(xiàn)， 數據流從發(fā)送UART的Tx引腳到接收UART的Rx引腳：
超簡(jiǎn)化的UART接口，左側為并行，右側為串行
通用異步接收器/發(fā)送器（UART）是負責實(shí)現串行通信的電路塊。 本質(zhì)上，UART充當并行和串行接口之間的中介。 UART的一端是八條左右數據線(xiàn)（加上一些控制引腳），另一條是兩條串行線(xiàn) - RX和TX。
兩個(gè)設備可以發(fā)送和接收數據的串行接口是全雙工或半雙工。 全雙工意味著(zhù)兩個(gè)設備可以同時(shí)發(fā)送和接收。 半雙工通信意味著(zhù)串行設備必須輪流發(fā)送和接收。
UART以異步方式發(fā)送數據，也就是說(shuō)沒(méi)有時(shí)鐘信號將發(fā)送UART的位輸出與接收UART的位采樣進(jìn)行同步。 發(fā)送UART將“起始”和“停止”位添加到正在傳輸的數據包中， 這些位定義了數據包的開(kāi)始和結束，接收UART基于這些位的信息知道何時(shí)開(kāi)始讀取輸入的串行數據。
當接收UART檢測到起始位時(shí)，它以特定的頻率（也就是“波特率”）讀取輸入的串行數據。波特率是數據傳輸速度的度量，單位-每秒位數（bps）。 兩個(gè)UART必須以相同的波特率運行。發(fā)送和接收UART之間的波特率相差不能超過(guò)10%，偏差太遠就無(wú)法對數據進(jìn)行正確的解讀。
當然兩個(gè)UART還必須配置為發(fā)送和接收相同的數據包結構。
異步通信以一個(gè)字符為傳輸單位，通信中兩個(gè)字符間的時(shí)間間隔多少是不固定的，然而在同一個(gè)字符中的兩個(gè)相鄰位間的時(shí)間間隔是固定的。兩個(gè)相鄰位間的時(shí)間間隔與UART通信的波特率有關(guān)，波特率用來(lái)表征UART通信中數據傳輸的速率，即每秒鐘傳送的二進(jìn)制位數。例如數據傳送速率為120字符/秒，而每一個(gè)字符為10位（1個(gè)起始位，7個(gè)數據位，1個(gè)校驗位，1個(gè)結束位），則其傳送的波特率為10×120＝1200字符/秒＝1200波特。
我們在調試種最比較常見(jiàn)的波特率是9600bps，其它的“標準”波特還有1200、2400、4800、19200、38400、57600和115200。
以9600bps傳輸為例，將每個(gè)位高或低保持的時(shí)間為1 /（9600 bps）或每位104μs，對于發(fā)送的每個(gè)數據字節，實(shí)際上發(fā)送了10位：起始位，8個(gè)數據位和一個(gè)停止位。 因此，在9600bps時(shí)，我們實(shí)際上每秒發(fā)送9600位或每秒960（9600/10）字節。
波特率越高，發(fā)送/接收的數據越快，但數據傳輸的速度有限。您通常不會(huì )看到超過(guò)115200的速度 - 這對于大多數微控制器來(lái)說(shuō)都很快。太高了，你會(huì )開(kāi)始看到接收端的錯誤，因為時(shí)鐘和采樣周期無(wú)法跟上。
數據幀構成
發(fā)送的每個(gè)數據塊（通常是一個(gè)字節）實(shí)際上是以比特或比特幀發(fā)送的。通過(guò)將同步和奇偶校驗位附加到數據來(lái)創(chuàng )建幀。
起始位：先發(fā)出一個(gè)邏輯”0”信號，表示傳輸字符的開(kāi)始。
數據位：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：數據位加上這一位后，使得“1”的位數應為偶數(偶校驗)或奇數(奇校驗)
停止位：它是一個(gè)字符數據的結束標志?？梢允?位、1.5位、2位的高電平。
空閑位：處于邏輯“1”狀態(tài)，表示當前線(xiàn)路上沒(méi)有資料傳送。
下面我們詳細介紹一下每一部分。
數據塊
每個(gè)串行數據包的真正有營(yíng)養的是它攜帶的數據，我們且稱(chēng)之為“數據塊”，它沒(méi)有具體的大小限制。 每個(gè)數據包中的數據量可以設置為5到9位。 標準數據的大小一般是最基本的8位字節，但其它大小也有其用途，有時(shí)候7位數據能比8位更高效，比如只是用來(lái)傳輸7位ASCII字符。
在統一了字符長(cháng)度后，兩個(gè)串行設備也必須就其數據的字節順序達成一致。 數據是最高位（msb）還是最低位先發(fā)送？ 缺省設定為首先傳輸最低有效位（lsb）。
同步位
同步位是每個(gè)數據塊傳輸的兩個(gè)或三個(gè)特殊位。 它們是起始位和停止位，顧名思義，這些位標記了數據包的開(kāi)頭和結尾。 始終只有一個(gè)起始位，但停止位的數量可配置為一個(gè)或兩個(gè)（通常情況下保留為一個(gè)）。
起始位始終是由從1到0的空閑數據線(xiàn)來(lái)指示，而停止位則將通過(guò)將該信號線(xiàn)保持為1而轉換回空閑狀態(tài)。
起始位：?jiǎn)巫止漊ART發(fā)送的第一位。 它表示數據線(xiàn)正在離開(kāi)其空閑狀態(tài)。 空閑狀態(tài)通常為邏輯高，因此起始位為邏輯低。起始位是開(kāi)銷(xiāo)位， 這意味著(zhù)它有助于接收器和發(fā)射器之間的通信，但不會(huì )傳輸有意義的數據。
停止位: 單字節UART傳輸的最后一位。 其邏輯電平與信號的空閑狀態(tài)相同，即邏輯高， 這是另一個(gè)開(kāi)銷(xiāo)。
奇偶校驗位
奇偶校驗是一種非常簡(jiǎn)單的低級錯誤檢查方式，它分為兩種方式：奇數或偶數。 為了產(chǎn)生奇偶校驗位，數據字節的所有5-9位相加，并且求和的奇偶性決定該位是否置位。 例如，假設奇偶校驗設置為偶數并且正被添加到數字字節（如0b01011101，這串數中有奇數（5）個(gè)1，奇偶校驗位將被設置為1。相反，如果奇偶校驗模式設置為奇數 ，奇偶校驗位則為0。
同步和采樣
下面我們來(lái)看看沒(méi)有時(shí)鐘信號的數據在接收端是如何被正確解讀的。
沒(méi)有時(shí)鐘對數據做判決，這些數據毫無(wú)意義。 下圖顯示了原因：
同一串數據可以有不同的解讀
典型的數據信號只是在邏輯低和邏輯高之間轉換的電壓。 只有當接收器知道何時(shí)采樣信號時(shí)，接收器才能正確地將這些邏輯狀態(tài)轉換為數字數據。
這可以使用單獨的時(shí)鐘信號輕松完成 - 例如，發(fā)送器在時(shí)鐘的每個(gè)上升沿更新數據信號，然后接收器在每個(gè)下降沿采樣數據。但UART接口沒(méi)有時(shí)鐘信號來(lái)同步Tx和Rx器件，接收端如何知道何時(shí)采樣發(fā)射端送來(lái)的數據信號呢？
發(fā)送端根據其時(shí)鐘信號生成比特流，然后接收端的目標是使用其內部時(shí)鐘信號在每個(gè)比特周期的中間對輸入的數據流進(jìn)行采樣。雖然在比特周期的中間進(jìn)行采樣不是必要的但卻是最佳的，因為接近比特周期的開(kāi)始或結束的采樣使得系統對接收端和發(fā)射端之間的時(shí)鐘頻率差異的魯棒性較差。
接收端序列從起始位的下降沿開(kāi)始，這是關(guān)鍵同步過(guò)程發(fā)生的時(shí)間。接收端的內部時(shí)鐘完全獨立于發(fā)送端的內部時(shí)鐘 - 換句話(huà)說(shuō)，第一個(gè)下降沿可以對應于接收端時(shí)鐘周期中的任何點(diǎn)：
為了確保接收端時(shí)鐘的有效邊沿能夠在比特周期的中間附近發(fā)生，發(fā)送到接收端模塊的波特率時(shí)鐘的頻率要比實(shí)際波特率高得多（比8或16或甚至32倍）。
假設一個(gè)比特周期對應于16個(gè)接收端時(shí)鐘周期。 在這種情況下，同步和采樣可以按如下方式進(jìn)行：
接收過(guò)程由起始位的下降沿啟動(dòng)。
接收端等待8個(gè)時(shí)鐘周期，以便建立一個(gè)接近比特周期中間的采樣點(diǎn)。
然后，接收端等待16個(gè)時(shí)鐘周期，使其進(jìn)入第一個(gè)數據位周期的中間。
第一個(gè)數據位被采樣并存儲在接收寄存器中，然后模塊在采樣第二個(gè)數據位之前等待另外16個(gè)時(shí)鐘周期。
重復此過(guò)程直到所有數據位都被采樣和存儲，然后停止位的上升沿使UART接口返回其空閑狀態(tài)。
UART的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)
沒(méi)有任何一種通信方式和協(xié)議是完美的，因此沒(méi)中方式都有其優(yōu)點(diǎn)，也有其缺點(diǎn)，我們來(lái)看看UART的主要優(yōu)缺點(diǎn)。
UART的優(yōu)點(diǎn)：
只需要使用兩根信號線(xiàn)就可以實(shí)現全雙工的數據傳輸（不算電源線(xiàn)）
無(wú)需時(shí)鐘信號
有一個(gè)奇偶校驗位提供硬件級別的錯誤檢查
數據包的結構可以通過(guò)兩端之間的協(xié)調來(lái)改變，比較靈活
有豐富的文檔且被廣泛使用的通信方式
相對比較容易配置和運行
UART的缺點(diǎn)：
與并行通信以及USART相比，數據傳輸的速度較慢
幀的大小被限定為最多9位
不支持多個(gè)從設備或多個(gè)主設備的功能
收發(fā)兩個(gè)器件UART的波特率差別不能超過(guò)10％
實(shí)際應用中的信號傳輸方式
將兩個(gè)UART的設備進(jìn)行連接有多種方式，取決于具體的應用場(chǎng)景，在這里我們僅看兩種：TTL UART和RS-232。
TTL UART
當微控制器和其它器件進(jìn)行串行通信時(shí)，通常以TTL電平進(jìn)行通信。 TTL串行信號存在于微控制器的電源電壓范圍內 - 通常為0V至3.3V或5V。 VCC電平（3.3V，5V等）的信號表示空閑線(xiàn)，值1或停止位。 0V（GND）信號表示起始位或值為0的數據位。
RS-232 UART
RS-232（推薦標準232）是連接數據終端設備（DTE）和數據通信設備（DCE）的串行二進(jìn)制數據信號的標準。 它通常用于計算機的老式串口。 TTL電平UART和RS-232的主要區別就是電壓電平。 RS-232中的數字信號為±3至 - ±15V，無(wú)論如何都不會(huì )檢測到接近0V的信號。
RS-232，可以在一些更古老的計算機和外圍設備上找到，就像TTL串口翻轉一樣。 RS-232信號通常介于-13V和13V之間，但規格允許從+/- 3V到+/- 25V。 在這些信號上，低電壓（-5V，-13V等）表示空閑線(xiàn)，停止位或值為1的數據位。一個(gè)高的RS-232信號表示起始位或0- 值數據位。 這與TTL系列相反。
邏輯電平 Logic-1 (High) Logic-0 (Low)
電壓 +3 to +15v -3 to -15v
RS-232比TTL的UART有更多的引腳，用于PC和調制解調器之間的通信。 我們常用的DB-9的引腳排列及其功能如下所示。
最撲街的RS-232收發(fā)芯片 - MAX232
在兩個(gè)串行信號標準之間，TTL更容易實(shí)現到嵌入式電路中。 然而，低電壓電平更容易受到長(cháng)傳輸線(xiàn)路的損耗的影響。 RS-232或更復雜的標準（如RS-485）更適合遠程串行傳輸。當您將兩個(gè)串行設備連接在一起時(shí)，確保其信號電壓匹配是非常重要的。
PC和微控制器的連接
實(shí)際的項目中可以有多種方式來(lái)連接PC和MCU，最方便的是下面列出的幾種方式中的最后一種。
TTL-UART到RS-232串口（古老的通用方式）
TTL-UART 到 RS-232串口 到 USB
USB-TTL 轉換模塊
全球創(chuàng )客界最火的WiFi模塊ESP8266只需要UART接口和AT指令集進(jìn)行操作
物美價(jià)廉的USB到TTL UART接口轉換芯片CP2102（來(lái)自SiLabs），通過(guò)計算機的USB端口仿真UART通信
使用UART最容易碰到的問(wèn)題：
RX-To-TX & TX-To-RX
工程師經(jīng)常犯的錯誤就是將RX和TX線(xiàn)錯誤連接，因此在遇到連接不通的時(shí)候一定要先檢查確定一下是否存在這方面的問(wèn)題。
波特率失配
如果數據以9600bps的波特率傳輸，并以19200bps的速率接收。 收到的數據將是一團垃圾！ 波特率必須在發(fā)送端和接收端匹配，這是UART串行通信的經(jīng)驗法則，波特率的最大允許偏移趨于介于（1-2％）之間。 因此嘗試在兩端生成完全相同的波特率，以避免錯配錯誤。
UART總線(xiàn)長(cháng)度 vs 波特率
UART串行總線(xiàn)可以傳輸很長(cháng)的距離，但傳輸的距離以及最高能夠達到的波特率都取決于傳輸得越遠，波特率也就會(huì )降低，它還取決于UART協(xié)議本身的硬件實(shí)現（物理層）。我們只提到TTL-UART和RS-232標準。
RS-232
RS-232的最大電纜長(cháng)度為50英尺。 但實(shí)際上它取決于波特率、電纜的等效電容和環(huán)境噪聲。 下表是TI多年前通過(guò)實(shí)驗總結的一些經(jīng)驗法則。
TTL-UART
TTL電平的UART僅支持5V的電壓擺幅，因此信號傳輸的距離以及能夠支持到的波特率取決于下面的3個(gè)元素：
電纜的電阻 - 電纜越長(cháng)電阻也就越高
電纜的電容：大家知道電容效應會(huì )阻礙信號電平的變化
噪聲：任何環(huán)境中都會(huì )有噪聲，帶屏蔽的雙絞線(xiàn)電纜對信號的傳輸會(huì )有幫助
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