UART（Universal Asynchronous Receiver/Transmitter，通用异步收发器）是一种广泛使用的硬件设备及其驱动协议，主要用于在点对点、全双工的异步串行通信中传输数据。它的核心特点是不依赖于共享时钟信号进行同步，而是依靠通信双方预先约定的帧结构和波特率来同步数据位。

以下是UART协议的主要定义和详解分析：

核心定义：

UART定义了一种异步串行数据传输方式：

• 异步： 发送方和接收方不共享同一个时钟源。数据帧的同步完全依靠起始位和停止位建立的时序，以及双方精确配置的相同波特率。
• 串行： 数据以单个比特流的方式，在一条线（TX）上顺序发送，在另一条线（RX）上顺序接收。
• 点对点： 通常在两台设备之间直接连接（一对一通信），没有总线概念。
• 全双工： 具有独立的发送线（TX）和接收线（RX），允许数据同时双向传输。

详解UART的关键组成部分

1. 基本硬件连接：

   • 需要两根信号线：
     • TX（Transmit - 发送线）： 发送方在此线上输出数据（逻辑1 = 高电平，逻辑0 = 低电平）。
     • RX（Receive - 接收线）： 接收方从此线上读取数据。
   • 此外，通常还会有两根用于硬件流控的信号线（非必需）：
     • RTS (Request To Send)： 发送方准备好接收数据时输出低电平，请求接收方开始传输。
     • CTS (Clear To Send)： 接收方准备好接收数据时输出低电平，告知发送方可以开始传输。
   • 注意： TX/RX是交叉连接的！发送方A的TX连接接收方B的RX，发送方B的TX连接接收方A的RX。连接双方的GND必须相连以确保相同的参考电平点。

2. 波特率 (Baud Rate)：

   • 定义： 每秒传输的符号数量，即每秒传输的位数（bps - bits per second）。一个符号=一个比特位。
   • 关键要求： 通信双方的波特率必须设置完全一致。常见的波特率包括 9600, 19200, 38400, 57600, 115200, 230400, 460800, 921600 bps等。
   • 作用： 双方根据波特率计算出每一位信号持续的时间长度（位周期），以此同步采样每一个数据位。
   • 精度要求： 波特率发生器的时钟精度需要足够高（通常偏差小于2%），否则在高波特率或长帧情况下容易导致采样偏移出错。

3. 数据帧结构 (Data Frame): UART数据传输是以固定格式的“帧”为单位进行的。一个完整的数据帧通常包含以下部分（按传输顺序）：

   • 起始位 (Start Bit): 1位
     • 电平： 逻辑低电平 (0)。
     • 作用： 表示一个数据帧的开始，通知接收方准备接收后续数据位。核心同步触发点。
   • 数据位 (Data Bits)：5-9位（通常5、6、7或8位）
     • 内容： 实际传输的有效数据字节（或其一部分）。
     • 顺序： 最低有效位 (LSB - Least Significant Bit) 在前（最先发送），最高有效位 (MSB - Most Significant Bit) 在后（最后发送）。
   • 校验位 (Parity Bit)：0位或1位（可选）
     • 作用： 提供简单的检错能力。通过计算数据位中“1”的数量是奇（Odd Parity） 还是偶（Even Parity），或者不使用（No Parity），来检测单个比特翻转错误。
     • 类型：
       • 偶校验 (Even)： 置位校验位，使得“1”的总数（数据位 + 校验位）为偶数。
       • 奇校验 (Odd)： 置位校验位，使得“1”的总数（数据位 + 校验位）为奇数。
       • 无校验 (None)： 不发送校验位。
       • 强制为1 (Mark)： 校验位始终为1（逻辑高），不提供检错，可作为额外的停止位理解。
       • 强制为0 (Space)： 校验位始终为0（逻辑低）。
   • 停止位 (Stop Bits): 1位、1.5位或2位
     • 电平： 逻辑高电平 (1)。
     • 作用：
       1. 表示一个数据帧的结束。
       2. 为接收方提供缓冲时间，使其有机会在接收下一帧起始位之前处理刚刚接收到的数据。
       3. 确保两帧之间线路恢复到空闲（高电平）状态，为下一帧的起始位（低电平）提供清晰明确的下降沿同步信号。

UART通信关键特性分析

1. 无时钟同步： 这是UART最核心的特性。通信双方无需连接独立的时钟线（如SPI中的SCK）。同步完全依靠：

   • 起始位的明确下降沿触发接收方开始计时。
   • 双方严格按照约定好的波特率运行各自的内部时钟（波特率发生器/定时器），计算每一位的中心采样点。
   • 接收方会在每个位周期的中点附近采样RX线上的电平状态，以减少边沿噪声的影响，确保数据稳定。

2. 简单性： UART协议本身相对简单（主要是帧结构定义），硬件实现（UART控制器）和软件驱动都较为成熟和容易。占用MCU管脚少（最少仅需两个：TX/RX）。

3. 灵活性： 帧结构（数据位长度、停止位长度、校验方式）和波特率可以根据应用需求和信道质量进行灵活配置。

4. 全双工： TX和RX分开，支持同时发送和接收数据，适合需要双向实时交互的应用。

5. 点对点限制： UART通常只适合两个设备之间的通信。要实现多点通信（一主多从或多主多从），需要结合其他技术（如RS-485总线标准）或使用额外的控制协议。

6. 无内置地址机制： UART本身不包含寻址功能。如果在多点系统中使用（通过RS-485等），需要额外的（应用层）协议来实现设备寻址（如Modbus RTU）。

7. 流程控制 (Flow Control):

   • 目的： 防止接收方处理速度跟不上发送方发送速度导致数据丢失（缓冲区溢出）。
   • 硬件流控 (RTS/CTS)： 使用额外的物理信号线（RTS、CTS）来控制数据流。当接收方准备好接收数据时，将CTS置为低电平（有效）；发送方在发送下一个字节前检查CTS是否为低电平，如果是低电平则发送，否则等待。发送方在准备好接收来自对方的回复数据时，将RTS置为低电平（有效）。
   • 软件流控 (XON/XOFF)： 使用特殊的控制字符嵌入到数据流中。当接收方缓冲区快满时，发送XOFF字符 (ASCII DC3, 0x13) 告诉发送方暂停；当缓冲区有足够空间时，发送XON字符 (ASCII DC1, 0x11) 通知发送方恢复发送。此法不需要额外的信号线，但占用了数据带宽，且对二进制数据传输不太友好。

实际应用场景举例

• MCU与PC通信： 通过USB-TTL/RS-232转换器进行调试信息打印、参数配置、固件更新等。
• MCU与传感器/模块通信： 很多GPS模块、串口屏、蓝牙/Wifi/GSM模块、RFID读卡器等通过UART接口通信。
• 工业控制设备： 作为简单可靠的点对点通信接口，常常配合RS-232（短距离）或RS-422/RS-485（长距离/多点）物理层标准使用。
• 嵌入式系统内部调试： 打印Log信息到控制台。
• 简单的设备间数据交换： 如两个Arduino之间通信。

重要注意事项

• TTL电平与RS-232电平： UART协议本身定义的是帧格式和规则，物理层电平有不同标准。
  • TTL UART： 逻辑高电平（1）通常代表+3.3V或+5V，逻辑低电平（0）代表0V。这是大多数微控制器、开发板上直接引出的串口电平。
  • RS-232 UART： 逻辑高电平（1）代表 -3V to -25V（负电压），逻辑低电平（0）代表 +3V to +25V（正电压）。具有更长的通信距离（理论可达15米）和更好的抗干扰能力，但需要MAX232/SP3232等芯片进行电平转换。绝对不能用TTL电平直接连接RS-232接口设备，会烧坏芯片！
• 没有共享时钟： 确保波特率匹配是通信成功的基础。
• 起始位/停止位是开销： 每次传输一个字节（8位）需要至少2位的额外开销（1起始+1停止），实际有效数据传输率低于波特率。

总结

UART是一种简单、可靠、成熟、广泛应用的异步串行点对点全双工通信协议。它的精髓在于通过精确的波特率设置、清晰的起始/停止位定义来实现无时钟同步的通信。理解其帧结构（起始位、数据位顺序、可选校验位、停止位）、波特率的重要性、点对点全双工特性以及物理电平标准（TTL vs RS-232）的差异，是掌握和使用UART的关键。尽管它在多点通信和高带宽方面存在局限性，但在嵌入式系统、设备调试、模块通信等大量场景中，UART凭借其简单性、成本效益和成熟稳定性，仍然是不可或缺的基础通信接口之一。