单片机常用通信协议-UART和USART

Posted 2020-11-29 lengyan-chen

UART

　　通用异步收发传输器（Universal Asynchronous Receiver/Transmitter）。

 一、定义

　　UART是一种通用串行数据总线，用于异步通信。该总线实现全双工传输和接收。在嵌入式设计中，UART用于主机与辅助设备通信。

 二、通信协议

　　UART作为异步串口通信协议的一种，工作原理是将传输数据的每个字符一位接着一位传输。

　　传输一帧中格式为：起始位、数据位、奇偶校验位、停止位、空闲位

　　其中各位意义如下：

　　起始位：先发出一个逻辑“0”的信号，表示传输字符的开始。

　　数据位：紧接着从起始位后，数据位的个数可以是4、5、6、7、8等，构成一个字符。通常采用ASCII码。从最低位开始传送，靠时钟定位。

　　奇偶校验位：数据位加这一位后，使得“1”的位数应为偶数（偶校验）或奇数（奇校验），以此来校验数据传送的正确性。

　　停止位：是一个字符数据的结束标志。

　　空闲位：处于逻辑“1”状态，表示当前线路上没有数据传送。

　　波特率：是衡量数据传送速率的指标。表示每秒钟传送的符号数（symbol）。一个符号代表的信息量（比特数）与符号的阶数有关。例如传输使用256阶符号，每8bit代表一个符号，数据传送速率为120字符/秒，则波特率为120*8=960bit/s。

三、基本结构

　　①输出缓冲寄存器：它接收CPU从数据总线上送来的并行数据，并加以保存。

　　②输出移位寄存器：它接收从输出缓冲器送来的并行数据，以发送时钟的速率把数据逐位移出，即将并行数据转换位串行数据输出。

　　③输入移位寄存器：它以接收时钟的速率把出现在串行数据输入线上的数据逐位移入，当数据装满后，并行送往输入缓冲寄存器，即将串行数据转换成并行数据。

　　④输入缓冲寄存器：它从输入移位寄存器钟接收并行数据，然后由CPU取走。

　　⑤控制寄存器：它接收CPU送来的控制字，由控制字的内容，决定通信时的传输方式以及数据格式等。例如采用异步方式还是同步方式，数据字符的位数，有无奇偶校验，是奇校验还是偶校验，停止位的位数等参数。

　　⑥状态寄存器：存放着接口的各种状态信息，例如输出缓冲区是否空，输入字符是否准备好等。在通信过程中，当符合，某种状态时，接口种的状态检测逻辑将状态寄存器的相应位置“1”。

四、功能

　　在手机设计和测试阶段被用来控制CPU与其余部分的讯息传送。

　　UART是通用异步收发器（异步串行通信口）的英文缩写，它包括了RS232、RS449、RS423、RS422和RS485等接口标准规范和总线标准规范，即UART是异步串行通信口的总称。 而RS232、RS449、RS423、RS422和RS485等，是对应各种异步串行通信口的接口标准和总线标准，它规定了通信口的电气特性、传输速率、连接特性和接口的机械特性等内容。实际上是属于通信网络中的实体层（Physical Layer）的概念，与通信协议没有直接关系。而通信协议，是属于通信网络中的资料链接层（Data Link Layer）的概念。 COM是PC（个人计算机）上，异步串行通信口的简写。由于历史原因，IBM的PC外部接口配置为RS232，成为实际上的PC界默认标准。所以，现在PC机的COM均为RS232。若配有多个异步串行通信口，则分别称为COM1、COM2... 。

 

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USART

　　通用同步/异步串行接收/发送器（Universal Synchronous/Asynchronous Receiver/Transmitter）。

一、主要特点　

　　1. 全双工操作；

　　2. 同步操作时，可主机时钟同步，也可从机时钟同步；

　　3. 独立的高精度波特率发生器，不占用定时/计数器；

　　4. 支持5、6、7、8和9位数据位，1或2位停止位的串行数据桢结构；

　　5. 由硬件支持的奇偶检验位发生和检验；

　　6. 数据溢出检测；

　　7. 帧错误检测；

　　8. 包括错误起始位的检测噪声滤波器和数字低通滤波器；

　　9. 三个完全独立的中断，TX发送完成、TX发送数据寄存器空、RX接收完成；　　

　　10.支持多机通信模式；

　　11.支持倍速异步通信模式。

 二、结构组成

　　USART收发模块一般分为三大部分：时钟发生器、数据发送器和接收器。控制寄存器为所有的模块共享。

　　时钟发生器由同步逻辑电路（在同步从模式下由外部时钟输入驱动）和波特率发生器组成。发送时钟引脚XCK仅用于同步发送模式下，

　　发送器部分由一个单独的写入缓冲器（发送UDR）、一个串行移位寄存器、校验位发生器和用于处理不同帧结构的控制逻辑电路构成。使用写入缓冲器，实现了连续发送多帧数据无延时的通信。

　　接收器是USART模块最复杂的部分，最主要的是时钟和数据接收单元。数据接收单元用作异步数据的接收。除了接收单元，接收器还包括校验位校验器、控制逻辑、移位寄存器和两级接收缓冲器（接收UDR）。接收器支持与发送器相同的帧结构，同时支持帧错误、数据溢出和校验错误的检测。

三、与UART兼容性

　　USART 在如下方面与AVR UART 完全兼容：

　　  所有USART 寄存器的位定义；

　　  波特率发生器；

　　  发送器操作；

　　  发送缓冲器的功能；

　　  接收器操作。

 

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UART和USART的区别

　　USART在UART基础上增加了同步功能，即USART是UART的增强型。

　　同步是指：发送方发出数据后，等接收方发回响应以后才发下一个数据包的通讯方式。  
　　异步是指：发送方发出数据后，不等接收方发回响应，接着发送下个数据包的通讯方式。

　　同步是阻塞模式，异步是非阻塞模式。

　　其实当我们使用USART在异步通信的时候，它与UART没有什么区别，但是用在同步通信的时候，区别就很明显了：大家都知道同步通信需要时钟来触发数据传输，也就是说USART相对UART的区别之一就是能提供主动时钟。