【嵌入式原理系列-第八篇】USART從原理到配置全解析

一.通信領域基礎知識介紹

1.1 串行和并行通信

1.2 同步和異步傳輸

1.3 串口和COM口

1.4 通信協議標準以及物理層定義

1.5 物理層協議之TTL / RS-232 / RS-485

二.USART介紹

2.1 USART特點介紹

2.2 UART和TTL / RS-232 / RS-485

2.3 USART硬線流控介紹

2.4 USART幀格式介紹

2.5 USART對比其他總線

三.USART工程配置及使用

3.1 USART數據傳輸方式配置說明

3.2?USART中斷配置配置說明

3.2.1 USART常用中斷

3.2.2 USART中斷配置實戰說明

3.2.3?DMA常用中斷

3.2.4 DMA中斷配置實戰說明

四.USART異步模式同步機制介紹

一.通信領域基礎知識介紹

介紹USART之前，我們需要先了解一些通信協議領域的通用知識。

1.1 串行和并行通信

串行：串行接口的基本傳輸單位是1位，即每次只能傳輸一個bit，通過協議組合成幀進行傳輸
并行：一次性可以傳輸多個位，理論上每個位需要一條獨立線束

1.2 同步和異步傳輸

Synchronous / Asynchronous 同步/異步，通信層面的異步/同步概念與軟件層面不同：

軟件層面：
- 同步處理：同步調用意味著調用方主動等待并立即獲得結果。
- 異步處理：異步調用意味著調用方發起請求后立即返回，結果通過事件、回調或輪詢等方式在后續通知。
通信層面：
- 同步通信：通信雙方使用同一根時鐘線來控制通信，理論上有時鐘線的情況下雙方的節奏是一致的，因此稱為同步。
- 異步通信：雙方互相不知道對方時鐘頻率，通過一些設計來規避雙方的時鐘不一致問題。

1.3 串口和COM口

串口（Serial Port）：通用稱呼，是一個廣義概念，嚴格來說所以串行通道都可以稱之為串口，包括USB。但是在嵌入式MCU領域，一般說起串口都是默認指的USART的異步模式。
COM：COM代表計算機中的邏輯串口設備名稱(如COM1, COM2)，是電腦對串口的抽象。電腦上的COM口一般就是通過USART實現的。

1.4 通信協議標準以及物理層定義

按照目前國際標準，一般將通信協議劃分為5層（實際上廣泛使用的標準）或者7層（ISO推薦）協議。按照從底層到上層分為：

物理層
數據鏈路層
傳輸層
網絡層
會話層
表示層
應用層

其中物理層定義了以下內容：

特性類別	定義說明
過程特性	比特在時間軸上的傳輸方式，如同步/異步、采樣點、位時序
硬件特性	接口芯片、收發器、電路驅動能力、端口數量
機械特性	物理連接器、針腳排列、接口規格
電氣特性	電壓電平范圍、電流驅動、抗干擾能力、差分/單端方式
功能特性	通道容量、點對點/多點拓撲、誤碼率、最大距離

1.5 物理層協議之TTL / RS-232 / RS-485

這三者都是物理層定義，規定了通信物理層定義

概念

簡要說明

電氣特性

TTL(Transistor-Transistor Logic)

原生電平

邏輯1：3.3V 或 5V，邏輯0為：0V。

RS232

電壓轉換

邏輯1：-3V 到 -15V，邏輯0：+3V 到 +15V。

RS485

電壓轉換+差分電平

邏輯 1：B線電壓比A線電壓高，典型差值 >+200mV。

邏輯 0：A線電壓比B線電壓高，典型差值 >+200mV。

其共模電壓范圍通常為 -7V 到 +12V

二.USART介紹

2.1 USART特點介紹

USART（即Universal Synchronous / Asynchronous Receiver/Transmitter，通用同步/異步收發器），其特性如下：

串行通信
同步/異步傳輸：支持同步傳輸（USART同步模式），以及異步傳輸（USART異步模式）
物理層以及數據鏈路層協議：只負責數據的轉發，不涉及應用邏輯。其物理層定義不完整，因此需要搭配其他物理層協議使用，如TTL、RS-232、RS-485
線束數量不固定，可選搭配如下：
- Tx/Rx：數據傳輸線
- GND：當通信雙方不直接公地，一般需要增加GND線作為參考電平以保持通信穩定性
- CTS/RTS：流控線，可選非標準協議定義內容，用于控制通信雙方的傳輸，防止數據溢出或丟失
- CLK：USART可使用同步模式進行通信，此時需要額外的時鐘線

注意！！

USART的硬線流控CTS/RTC以及USART的同步傳輸模式，在實際項目中很少使用，因為這兩者都會增加線束的數量、傳輸協議的復雜度。而USART最大的優點就是協議的簡單以及線束數量少（最少只需要兩根）。

2.2 UART和TTL / RS-232 / RS-485

USART的物理層定義并不完全，如下：

特性類別	USART 覆蓋情況	缺失說明
過程特性	完整	無缺失，USART 定義了起始位、數據位、校驗位、停止位，但功能簡單
硬件特性	缺失	USART 本身不定義具體硬件，需依賴 TTL/RS232/RS485 芯片
機械特性	缺失	USART 不定義連接器規格，實際由外部標準決定
電氣特性	缺失	USART 不規定電平和驅動能力，需要 TTL/RS232/RS485 補充
功能特性	部分缺失	USART 默認點對點，最大速率/距離未標準化，誤碼檢測只有奇偶校

因此實際使用過中必須搭配一個物理層協議使用，常用搭配如下：

概念

簡要說明

電氣特性

與USART的關系

TTL(Transistor-Transistor Logic)

原生電平

邏輯1：3.3V 或 5V，邏輯0為：0V。

MCU內部USART外設輸出的就是TTL電平。

優點：無需電平轉換芯片，硬件成本低

缺點：抗干擾能力和傳輸距離比RS 232和RS 485差。

RS232

電壓轉換

邏輯1：-3V 到 -15V，邏輯0：+3V 到 +15V。

用于USART通信時，將原生TTL電平進行了電壓轉換。

優點：RS 232的電壓范圍更廣，抗干擾更強。

缺點：需要額外的電平轉換芯片，增加了硬件成本。

RS485

電壓轉換+差分電平

邏輯1：-3V 到 -15V，邏輯0：+3V 到 +15V。

用于USART通信時，將原生TTL電平進行了電壓轉換，并變成了差分電平。

優點：因為使用差分電平，抗干擾能力極強，且傳輸距離得到大大提升。支持多點通信。

缺點：需要額外的電平轉換芯片以及線束，且在車載電子領域和CAN定位重合且競爭

注意：

在汽車電子領域，RS-485的生態位主要被CAN占據，其出場率較低。

2.3 USART硬線流控介紹

由于USART協議

CTS（Clear To Send）和RTS（Require To Send），不屬于標準USART規定內容。本質上是通過硬線指示來完成流控效果，示意如下：

設備1	設備2	說明
RTS(發)	CTS(收)	當設備2收到設備1的RTS通知（一般是高電平到低電平跳變）時，代表設備1準備好接收數據了，設備2此時可以發送數據
CTS(收)	RTS(發)	當設備1收到設備2的RTS通知（一般是高電平到低電平跳變）時，代表設備2準備好接收數據了，設備1此時可以發送數據

2.4 USART幀格式介紹

參數	說明
開始位	1 bit，當USART數據傳輸線不傳輸數據時，它通常保持在高電壓電平。為了開始數據傳輸，發送方將傳輸線從高電平拉至低電平一個時鐘周期。當接收USART檢測到高電壓到低電壓轉換時，它開始以波特率的頻率讀取數據幀中的位。
數據位 (Data Bits）	8bit 或 9bit，定義一幀有效數據，數據位包含要傳輸的實際數據。在通常情況下，數據首先以最低有效位發送，并且長度使用8位。
停止位 (Stop Bits)	1至2bit，為了通知傳輸數據包的結束，USART發送端會將數據傳輸線驅動至高電壓至少1到2位持續時間。
校驗位 (Parity)	1bit，可選，保證數據完整性。奇偶校驗位是接收USART在傳輸過程中判斷是否有任何數據發生變化的一種方法。電磁輻射、不匹配的波特率或長距離傳輸時，數據都有可能發生變化。接收USART讀取數據幀后，它會計算值為1的位數，并檢查總數是偶數還是奇數。如果奇偶校驗位為0（偶校驗），則數據幀中的1位應總計為偶數。如果奇偶校驗位是1（奇校驗），則數據幀中的1位應總計為奇數。當奇偶校驗位與數據匹配時，USART知道傳輸沒有錯誤。

2.5 USART對比其他總線

總線	使用場景	通信距離	線束數量	通信方向	通信單元數量	同步& 異步
USART	微控制和外部設備、模塊之間、調試接口	建議小于1.5m	Tx+Rx+GND(可選)	全雙工	1 對 1	異步
SPI（Serial Peripheral Interface）	主要用于嵌入式系統內主芯片與外圍芯片之間的短距離、高速通信	建議小于3m	CS：片選線，選擇和那個從模塊通信； MOSI：主模塊給從模塊發送數據 MISO：從模塊給主模塊發送數據 CLK：時鐘線	全雙工	1(主)對N(從)	同步
IIC（Inter-Integrated Circuit）	適用于連接微控制器和各種外部設備，如溫度傳感器、EEPROM、實時時鐘等，使用兩根線進行雙向通信。?	建議小于3m	數據傳輸線+CLK	半雙工	N(多主)對N(多從)	同步
LIN（Local Interconnect Network）	主要用于汽車電子系統中的低速通信，如車門控制、座椅控制等。	理論可達40m	Tx/Rx(共用一根) + GND(可選)	半雙工	1(主)對N(從)	異步
CAN（Controller Area Network）	廣泛用于汽車、工業控制和其他分布式系統中，具備高可靠性和抗干擾能力，支持多個設備在同一總線上通信。	理論可達40m	CAN_H+CAN_L	半雙工	N對N (不分主從)	異步

注意：

傳輸速率一般來講：SPI>IIC>USART>CAN>LIN。
SPI/IIC一般多用于片上通信，USART多用于片上通信及調試接口，CAN/LIN用于車輛間ECU遠距離通信。
USART 更偏向點對點、調試和簡單設備通信，其通信距離（短）和穩定性（稍顯不足）使得它的競爭對手主要是SPI和IIC。

三.USART工程配置及使用

3.1 USART數據傳輸方式配置說明

屬性	說明
波特率	波特率配置一般由多個寄存器來對時鐘進行分頻，已達到更精準的頻率控制。比如如下形式：波特率 = 所選定外設時鐘頻率 / (波特率整數部分 + (波特率小數分子部分) / 波特率小數分母部分) 具體配置形式不固定，只需要記住可能存在多個參數配置來控制精度就行，本質上都是外設時鐘 / 預分頻值。
停止位	需要指定停止位的長度，可選范圍是1bit / 1.5bit / 2bit，部分芯片可能不支持1.5bit模式
數據位定義	需要定義數據位是8位還是9位，如果是9位還需要指定第9位的含義。不同芯片對于第9位的支持情況不一樣，這里按照最大組合情況介紹第9位是ODD(偶)校驗第9位是EVEN(奇)校驗第9位發送的是地址（此選項是給RS-485用的，因為RS485支持多節點通信，使用節點地址區分不同節點，此時該位可用于判斷是數據幀還是用來標識節點地址的地址幀）第9位發送的是數據無第9位
傳輸次序(接收/發送)	選擇大小端模式，即接收/發送時是高Bit位(MSB)還是低Bit位(LSB)
傳輸模式	選擇同步還是異步傳輸。同步傳輸：USART同步模式，此時會有時鐘線，但是USART本身不是流水線搬運，無法像SPI那樣一根時鐘線控制Tx和Rx。因此此模式下一般是半雙工，除非有兩根時鐘線或者芯片的USART驅動有特殊處理異步傳輸：USART異步模式，就是常說的全雙工異步模式
時鐘極性	選擇數據在時鐘上升沿還是下降沿同步（全雙工異步模式不需要此配置）。
傳輸方向	選擇傳輸方向，可以配置僅收或者僅發
USART通道	一般外設提供不止一組USART硬件通道，需要選擇使用哪一個硬件通道
時鐘源選擇	選擇USART的時鐘源，為USART通信提供時鐘參考基準，以滿足波特率要求
傳輸類型	DMA 中斷
硬件流控	是否支持硬件流控，可以配置只支持CTS或者RTS，即單向流控
硬件FIFO模式	是否啟用硬件FIFO，并配置深度

3.2?USART中斷配置配置說明

3.2.1 USART常用中斷

信號	意義	觸發條件	說明
RXNE/RDR	接收到新數據	RX 寄存器中有未讀取字節	CPU讀取數據寄存器，防止覆蓋。DMA場景不需要。
TXE	發送數據寄存器空	TX 寄存器空，可以寫入新的待發送數據（前面數據不一定發送完成）	CPU 寫入下一個字節，DMA場景不需要
TC/TFE	發送完成	前面一幀數據發送完成	標記發送結束，釋放緩沖區
IDLE	總線空閑	接收線空閑一段時間（通常是一幀位時間）	標記幀結束或數據終止
ORE	接收溢出	RX 寄存器未及時讀取	錯誤處理
NE	噪聲錯誤	總線噪聲導致接收錯誤	錯誤處理
FE	幀錯誤	停止位或字節長度錯誤	錯誤處理
PE	奇偶校驗錯誤	奇偶位不匹配	錯誤處理

3.2.2 USART中斷配置實戰說明

傳輸類型	TXE	TC	IDLE	RXNE
RS-485半雙工 + DMA	不使用，DMA直接判斷數據	必須使用，用于通知CPU判斷是否要切換傳輸方向	必須使用	一般不需要，方向切換一般靠TC進行。
RS-485半雙工 + 非DMA	推薦使用，通知CPU填充發送數據（理論上TXE會比TC觸發早，會更快一些）。	必須使用，用于通知CPU判斷是否要切換傳輸方向	必須使用	推薦使用，用于判斷是否需要切換方向
普通傳輸 + DMA	不使用，DMA直接判斷數據	必須使用，TC在此模式下不再是字節級別通知，而是傳輸單位的通知。這個"傳輸單元"取決于字長、傳輸計數、循環/塊模式、DMA FIFO配置。	必須使用	一般不需要，數據搬運由DMA進行
普通傳輸+ 非DMA	推薦使用，通知CPU填充發送數據（理論上TXE會比TC觸發早，會更快一些）。	不使用，使用TXE發送數據更快	必須使用	必須使用，因為沒有DMA，需要CPU自行處理數據

3.2.3?DMA常用中斷

中斷名稱	觸發條件	典型用途
Transfer Complete	DMA 完成搬運	CPU 處理已搬運完成數據或繼續下一塊搬運
Half Transfer	DMA 完成緩沖區一半	CPU 提前處理一半數據，保持 RX 連續或平滑 TX 輸出
Transfer Error	DMA 地址錯誤、FIFO 溢出、配置錯誤	錯誤處理

3.2.4 DMA中斷配置實戰說明

USART錯誤類型中斷依實際項目情況選擇是否使能：ORE、NE、FE、PE
推薦基于DMA傳輸：對于高速或大數據量傳輸，強烈推薦使用DMA以減輕CPU負擔（當不使用DMA時，MCU只有1~2個停止位的反應時間）并降低數據丟失風險。對于低速簡單應用，可根據情況選擇中斷或輪詢方式。
USART中斷配置建議：
- USART發送端：
  - DMA傳輸完成中斷
  - 半傳輸中斷（可選，用于連續大數據流平滑發送）
- USART接收端：
  - 理論最優（實現復雜，設計不過關容易出問題，比如中斷嵌套）：
    - 半傳輸中斷（防止數據溢出，給CPU預留處理時間）
    - 傳輸完成中斷（通知CPU全部處理完成）
    - USART IDLE中斷（用于檢測幀結束或總線空閑，防止數據量不夠觸發半傳輸中斷）。
  - 項目中常用（實現簡單，絕大部分場景夠用）：
    - 僅僅使用IDLE中斷，不使用DMA全傳輸和半傳輸中斷。