通用异步收发器（UART）的工作原理与配置

# 1. 引言

## 1.1 什么是通用异步收发器（UART）

通用异步收发器（Universal Asynchronous Receiver/Transmitter，UART）是一种广泛应用于计算机和嵌入式系统中的串行通信接口。它负责将并行传输的数据转换为串行数据格式，以便在串行通信线路上传输。UART是一种基于异步通信协议的接口，它将数据分成一个个传输单元，通过引入起始位、数据位和停止位的方式进行数据的传输。相比于其他串行通信接口，UART具有成本低、易于实现和兼容性强的优势。

## 1.2 UART的重要性和应用领域

UART作为一种常见的通信接口，被广泛应用于各种领域。在计算机领域，UART常用于串口通信，用于与外部设备（如打印机、调制解调器、显示器等）进行数据交互。在嵌入式系统中，UART常用于MCU（MicroController Unit）与外部设备进行通信，例如与传感器、无线模块、蓝牙模块等设备进行数据传输。此外，UART也被广泛用于物联网（IoT）设备中，用于与云平台进行数据通信。

UART作为一种重要的通信接口，可以在不同的项目中发挥关键作用。在接下来的章节中，我们将详细介绍UART的基本工作原理、数据传输格式、配置参数以及在ARM微控制器中的实际应用。

# 2. UART的基本工作原理

### 2.1 数据的串行传输与并行传输的对比

在计算机系统中，信息的传输可以通过串行传输或并行传输实现。串行传输是指将数据位按照顺序一个一个地发送或接收，而并行传输则是同时传输多个数据位。

串行传输相较于并行传输具有以下优势：
- 节省通信线路。串行传输只需要一条信号线进行数据传输，而并行传输需要多条信号线。
- 提高通信距离和可靠性。信号在传输过程中容易受到干扰，串行传输可以通过差分信号传输来提高抗干扰能力。
- 适应高速传输。串行传输可以通过调整波特率实现高速传输，而并行传输受到线路长度和同步要求的限制。
- 节约硬件成本。串行传输只需要一个发送器和一个接收器，而并行传输需要多个发送器和接收器。

### 2.2 UART的串行数据传输原理

通用异步收发器（UART）是一种常用的串行数据传输协议。它通常由发送器和接收器组成，可以实现数据的双向传输。

UART的串行数据传输原理如下：
1. 发送端将要传输的数据从高位到低位逐个发送，每个数据位之间由一个时钟周期间隔。
2. 接收端通过时钟信号来判断数据位的开始和结束，并将每个数据位按照相同的顺序接收。
3. 发送端和接收端使用相同的时钟信号来保持数据的同步传输。

UART的串行数据传输具有以下特点：
- 传输速率可调。通过控制时钟的频率，可以调整UART的传输速率，常见的波特率有9600、115200等。
- 数据帧包含起始位、数据位、停止位和校验位。起始位用于标识数据帧的开始，停止位用于标识数据帧的结束，校验位用于检测数据传输的准确性。

下面我们将详细探讨UART的数据传输格式和配置参数。

# 3. UART的数据传输格式

串行通信的数据传输格式是指在通信过程中，数据的传输方式和规则，主要包括起始位、数据位、停止位和校验位等内容。

#### 3.1 起始位、数据位和停止位

在UART通信中，每个数据帧由一个起始位、若干数据位、可选的校验位和一个或多个停止位组成。起始位用于标识数据帧的开始，通常为逻辑低电平。数据位用于传输实际的数据信息。停止位用于标识数据帧的结束，通常为逻辑高电平。

在UART通信中，起始位和停止位的作用是为了使接收方能够确定数据位的开始和结束位置，从而正确解析数据信息。而数据位则是实际传输数据的位置，其数量一般为5位、6位、7位或8位，代表可以传输的数据位数。

#### 3.2 校验位的作用和种类

校验位是用于验证数据传输过程中是否发生错误的一种机制。在UART通信中，常见的校验位包括奇校验、偶校验、无校验等几种类型。奇校验要求数据位中包含的“1”位的个数为奇数，偶校验则要求数据位中包含的“1”位的个数为偶数。通过校验位的校验，可以在一定程度上提高数据传输的可靠性。

#### 3.3 常用的数据传输格式

常用的数据传输格式主要包括标准帧格式和扩展帧格式两种。标准帧格式包括一个起始位、5至9位数据位、可选的校验位和一个至两个停止位。扩展帧格式则包括一个起始位、6至10位数据位、可选的校验位和一个至两个停止位。在实际应用中，根据具体的通信需求和硬件支持，选择合适的数据传输格式非常重要。

以上是UART的数据传输格式的概述，下一节将详细介绍UART的配置和参数。

# 4. UART的配置和参数

在本章中，我们将深入讨论UART的配置和参数设置，包括波特率的定义和选择、配置寄存器和控制寄存器的使用，以及常见配置参数的含义和设置方法。

#### 4.1 波特率的定义和选择

波特率是指每秒钟传输的比特数，它决定了数据传输的速度。在配置UART时，需要选择一个合适的波特率，以确保发送方和接收方能够以相同的速率进行通信。常见的波特率包括9600、19200、38400、115200等。在选择波特率时，需要考虑通信所需的数据传输速度、系统时钟频率等因素。

#### 4.2 配置寄存器和控制寄存器的使用

在配置UART时，需要访问配置寄存器和控制寄存器，来设置各种参数，如波特率、数据位、停止位、校验位等。通过对这些寄存器的设置，可以实现对UART模块的灵活配置和控制。

#### 4.3 常见配置参数的含义和设置方法

常见的配置参数包括数据位长度、停止位配置、校验位配置等。在设置这些参数时，需要对每一个参数的含义和影响有清晰的理解，以确保UART模块能够正常工作，并满足通信需求。

以上是UART的配置和参数设置的基本概览，接下来我们将通过具体的示例，来深入了解如何在ARM微控制器中配置UART。

# 5. 在ARM微控制器中配置UART

在本节中，我们将以ARM微控制器为例，介绍如何配置UART。我们将主要介绍引脚配置和电气特性、寄存器初始化和中断设置以及数据的接收和发送。

#### 5.1 引脚配置和电气特性

在ARM微控制器中，UART的引脚配置通常需要根据具体的芯片手册来进行设置。以STM32系列为例，我们需要通过配置相应的GPIO引脚为UART的TX和RX功能，并根据需要连接到外部的串口设备。

同时，我们也需要注意电气特性的设置，包括设置适当的电平、阻抗匹配以及串口的使能和禁用等问题。这些都需要结合具体的硬件和电路设计来进行配置。

#### 5.2 寄存器初始化和中断设置

在ARM微控制器中，配置UART通常需要初始化相应的UART控制寄存器。例如，在STM32系列中，我们需要设置波特率、数据位、停止位、校验位等参数，以及使能接收和发送功能。

另外，对于串口数据的中断处理也是很重要的。我们需要配置相应的中断使能，以及编写中断服务程序来处理接收和发送数据时可能出现的中断情况。

#### 5.3 数据的接收和发送

一旦UART被正确配置，我们就可以进行数据的接收和发送。在ARM微控制器中，通常会使用相应的API或者底层驱动来进行数据的接收和发送操作。例如，在STM32系列中，我们可以使用HAL库或者LL库提供的函数来实现数据的读写操作。

在数据发送时，我们需要将要发送的数据写入到UART数据寄存器中，并等待发送完成。而在数据接收时，我们需要轮询或者通过中断的方式来获取接收到的数据，并进行相应的处理。

以上就是在ARM微控制器中配置UART的示例内容，通过正确的引脚配置、寄存器初始化和中断设置以及数据的接收和发送，我们可以实现UART的基本功能。

接下来，我们将通过实际的代码示例来演示如何在ARM微控制器中配置UART。

# 6. 总结和展望

在本文中，我们深入探讨了通用异步收发器（UART）的工作原理、数据传输格式、配置参数以及在ARM微控制器中的配置方法。通过对UART的基本原理和相关概念的介绍，希望读者能够理解UART的重要性和应用领域。

首先，我们介绍了UART的基本工作原理，比较了串行传输和并行传输的不同之处，并详细阐述了UART的串行数据传输原理。这为后续的数据传输格式和配置参数的理解打下了基础。

接着，我们讨论了UART的数据传输格式。包括起始位、数据位以及停止位的作用和设置方法。此外，我们还介绍了校验位的作用和种类，以及常用的数据传输格式。

在配置和参数部分，我们重点介绍了波特率的定义和选择方法，以及配置寄存器和控制寄存器的使用。此外，我们还详细解释了常见配置参数的含义和设置方法，以帮助读者根据需求灵活配置UART。

在实例部分，我们以ARM微控制器为例，介绍了引脚配置和电气特性的设置，寄存器初始化和中断设置的方法，以及数据的接收和发送过程。通过这个实例，读者可以实际操作并了解UART在具体平台上的配置和使用方法。

总结起来，UART作为一种重要的串行通信接口，在各种应用领域有着广泛的应用，如串口通信、无线通信、嵌入式系统等。未来，随着物联网和智能设备的兴起，UART的应用前景仍然非常广阔。

通过本文的学习，我们了解了UART的基本工作原理、数据传输格式、配置参数以及在ARM微控制器中的配置方法。希望本文对读者在理解和使用UART方面提供了帮助。