大家好，這里是 Hello_Embed。在前幾篇中，我們通過環形緩沖區解決了按鍵數據丟失問題，而在嵌入式系統中，設備間的數據交互（如單片機與電腦、傳感器的通信）同樣至關重要。UART（通用異步收發傳輸器）是最常用的串行通信協議之一，廣泛應用于調試、數據傳輸等場景。本篇將從 “同步與異步傳輸的區別” 入手，詳解 UART 協議的工作原理、數據格式及關鍵概念，為下一篇 “UART 硬件結構與編程” 打基礎。
一、數據傳輸的兩種基本方式
在講解 UART 之前，我們先明確 “同步傳輸” 與 “異步傳輸” 的核心區別 —— 這是理解 UART（異步協議）的基礎。
1. 同步傳輸
- 特點：同時發送兩種信號 ——時鐘信號（用于同步）和數據信號（實際傳輸的數據）。
- 原理：發送方通過時鐘信號的上升沿 / 下降沿通知接收方 “即將傳輸數據”，雙方嚴格按照時鐘節拍同步收發。
- 類比：就像和朋友約定 “每天下午 3 點準時視頻”，到點后直接開始交流，無需額外確認 “是否準備好”。
2. 異步傳輸
- 特點：僅發送數據信號，通過信號本身的 “起始標識” 和 “時長約定” 實現同步。
- 原理：數據信號中包含起始位（標記傳輸開始）、數據位（實際數據）和停止位（標記傳輸結束），收發雙方需提前約定信號時長（如波特率）。
- 類比：就像打電話 —— 先撥號碼（起始標識），對方接起后開始說話（數據），說完掛電話（停止標識），雙方無需提前約定 “幾點開始”，但需聽懂同一種語言（約定規則）。
- 實例：紅外遙控器協議 —— 接收端檢測到 “9ms 低電平 + 4.5ms 高電平” 時，判定為傳輸開始；邏輯 1 定義為 “0.56ms 低電平 + 1.69ms 高電平”，邏輯 0 定義為 “0.56ms 低電平 + 0.56ms 高電平”。
| 對比項 | 同步傳輸 | 異步傳輸 |
|---|---|---|
| 信號線 | 需時鐘線 + 數據線 | 僅需數據線 |
| 速率 | 由時鐘信號頻率決定（可動態調整） | 收發雙方需提前約定（固定波特率） |
| 抗干擾能力 | 強（時鐘同步可修正偏差） | 弱（依賴信號時長，偏差易導致錯誤） |
| 適用場景 | 高速、短距離（如 SPI、IIC） | 中低速、長距離（如 UART、紅外） |
二、UART 協議：異步串行通信的典型實現
UART（Universal Asynchronous Receiver/Transmitter）是異步傳輸的典型應用，通過單條數據線實現雙向通信，其核心是 “約定數據格式和傳輸速率”，示意圖如下：
1. 通信方式：全雙工
UART 支持全雙工通信，即發送數據（TX）和接收數據（RX）可同時進行，互不干擾。三種通信方式的對比如下：
要使用串口傳輸數據，則需要明白其底層工作邏輯，我們以下圖為例：
| 通信方式 | 核心特點 | 數據流向 | 典型場景 |
|---|---|---|---|
| 全雙工 | 同時收發，無沖突 | 雙向并行（TX/RX 獨立） | 電話通話、視頻會議、以太網通信 |
| 半雙工 | 可雙向傳輸，但同一時間只能單向 | 雙向交替（共用一根線） | 對講機、RS485 半雙工模式（共用一根線） |
| 單工 | 只能單向傳輸（固定發送或接收） | 單向固定 | 廣播、紅外遙控器（僅發送）、打印機（僅接收） |
2. 波特率：傳輸速率的度量
波特率（Baud Rate）是 UART 的核心參數，定義為 “每秒傳輸的信號狀態數（波特）”。在多數場景中，1 個狀態對應 1 位數據，因此波特率等價于 “每秒傳輸的比特數（bit/s）”。
- 例：波特率 115200 表示 “每秒傳輸 115200 位數據”，傳輸 1 位數據的時間為
1/115200 ≈ 8.68μs。
3. 數據傳輸格式：從起始到停止
UART 傳輸 1 字節（8 位）數據的完整格式如下（以傳輸字符‘A’為例）：
- 起始位：1 位，低電平（默認狀態為高電平，拉低表示傳輸開始）；
- 數據位：8 位，傳輸實際數據（‘A’的 ASCII 碼為 0x41，二進制
01000001）； - 校驗位（可選）：1 位，用于簡單錯誤檢測（奇校驗 / 偶校驗）；
- 停止位：1 位、1.5 位或 2 位，高電平（表示傳輸結束，給接收方緩沖時間）。
- 傳輸 1 字節的總位數：1（起始）+8（數據）+1（停止）=10 位（無校驗位時），總耗時
10/115200 ≈ 86.8μs。
4. 接收方的采樣與同步
接收方如何準確識別每一位數據？以波特率 115200 為例：
- 檢測到 “起始位”（低電平）后，等待 1.5 個比特時間（
1.5×8.68μs ≈ 13μs），此時處于第 1 位數據的中間位置（采樣最穩定）； - 此后每間隔 1 個比特時間采樣一次，依次獲取 8 位數據；
- 最后檢測到 “停止位”（高電平），完成一次傳輸。
5. 容錯機制：抗干擾的采樣策略
為應對信號抖動，UART 接收端采用 “多次采樣” 策略（以 16 次采樣為例）：
- 起始位校驗：需滿足 3 個條件 —— 前 2 次采樣為低電平、中間 3 次（8/9/10）為低電平、最后 2 次為低電平，才認定為有效起始位；
- 數據位校驗：中間 3 次采樣（8/9/10）中，若 2 次為 0 則判定為 0，2 次為 1 則判定為 1。
6. 校驗位：簡單的錯誤檢測
校驗位用于檢測數據傳輸中的偶然錯誤，分為奇校驗和偶校驗：
- 奇校驗：數據位中 “1” 的個數為奇數（包括校驗位）；
- 偶校驗：數據位中 “1” 的個數為偶數（包括校驗位）。
- 例：傳輸‘A’（二進制
01000001，含 2 個 1）：- 奇校驗：校驗位需為 1（總個數 3，奇數）；
- 偶校驗：校驗位需為 0（總個數 2，偶數）。
三、波特率與比特率的區別
- 波特率：每秒傳輸的 “信號狀態數”（波形變化次數）；
- 比特率：每秒傳輸的 “有效數據位數”（bit/s）。
多數情況下，1 個信號狀態對應 1 位數據，因此波特率 = 比特率（如 UART）。
特殊場景：若 1 個信號狀態表示 2 位數據（如 00.7V=00，0.81.5V=01），則比特率 = 波特率 ×2（例：2ms 傳輸 2 個狀態，對應 4 位數據，波特率 = 500 波特，比特率 = 1000bit/s）。
結尾
UART 協議通過 “異步傳輸 + 約定格式” 實現了簡單可靠的串行通信，其核心是波特率同步和數據幀格式。下一篇我們將聚焦 STM32 的 UART 硬件結構，學習如何通過 CubeMX 配置 UART，并結合環形緩沖區實現高效的串口數據收發。
Hello_Embed 繼續帶你從協議原理到硬件實戰，掌握嵌入式通信的核心技能，敬請期待～
