通用異步收發(fā)傳輸器（Universal Asynchronous Receiver/Transmitter），通常稱作UART，是一種異步收發(fā)傳輸器。

首先先來介紹以下同步和異步通信，同步是指，發(fā)送方發(fā)出數(shù)據(jù)后，等接收方發(fā)回響應(yīng)以后才發(fā)下一個數(shù)據(jù)包的通訊方式；異步是指，發(fā)送方發(fā)出數(shù)據(jù)后，不等接收方發(fā)回響應(yīng)，接著發(fā)送下個數(shù)據(jù)包的通訊方式。換句話說，同步通信是阻塞方式，異步通信是非阻塞方式。在常見通信總線協(xié)議中，I2C，SPI屬于同步通信而UART屬于異步通信。同步通信的通信雙方必須先建立同步，即雙方的時鐘要調(diào)整到同一個頻率，收發(fā)雙方不停地發(fā)送和接收連續(xù)的同步比特流。異步通信在發(fā)送字符時，發(fā)送端可以在任意時刻開始發(fā)送字符，所以，在UART通信中，數(shù)據(jù)起始位和停止位是必不可少的。

硬件層

常用RS-232標(biāo)準(zhǔn)，這里不詳細(xì)解釋，主要是對應(yīng)設(shè)備的Tx線和Rx線要對應(yīng)正確。

協(xié)議層

協(xié)議層中，規(guī)定了數(shù)據(jù)包的內(nèi)容，它由起始位、主體數(shù)據(jù)、校驗位以及停止位組成，通信雙方的數(shù)據(jù)包格式要約定一致才能正常收發(fā)數(shù)據(jù) 。

波特率：異步通信中由于沒有時鐘信號，所以2個通信設(shè)備需約定好波特率，常見的有4800、9600、115200等。

通信的起始和停止信號：串口通信的一個數(shù)據(jù)包從起始信號開始，知道停止信號結(jié)束。數(shù)據(jù)包的起始信號由一個邏輯0的數(shù)據(jù)位表示，而數(shù)據(jù)包的停止信號可由0.5、1、1.5或2個邏輯1的數(shù)據(jù)位表示，只要雙方約定一致即可。

有效數(shù)據(jù)：在數(shù)據(jù)包的起始位之后緊接著的就是要傳輸?shù)闹黧w數(shù)據(jù)內(nèi)容，也稱為有效數(shù)據(jù)，有效數(shù)據(jù)的長度常被約定為8位或9位長。

數(shù)據(jù)校驗：在有效數(shù)據(jù)之后，有一個可選的數(shù)據(jù)校驗位。由于數(shù)據(jù)通信相對容易受到外部干擾導(dǎo)致傳輸數(shù)據(jù)出現(xiàn)偏差，可以在傳輸過程加上校驗位來解決這個問題。校驗方法有奇校驗（odd）、偶校驗（even）、0校驗（space）、1校驗（mark）以及無校驗（noparity）。

奇校驗要求有效數(shù)據(jù)和校驗位中“1”的個數(shù)為奇數(shù)，比如一個 8 位長的有效數(shù)據(jù)為：01101001，此時總共有 4 個“1”，為達到奇校驗效果，校驗位為“1”，最后傳輸?shù)臄?shù)據(jù)將是 8 位的有效數(shù)據(jù)加上 1 位的校驗位總共 9 位。偶校驗與奇校驗要求剛好相反，要求幀數(shù)據(jù)和校驗位中“1”的個數(shù)為偶數(shù)，比如數(shù)據(jù)幀：11001010，此時數(shù)據(jù)幀“1”的個數(shù)為 4 個，所以偶校驗位為“0”。0 校驗是不管有效數(shù)據(jù)中的內(nèi)容是什么，校驗位總為“0”，1 校驗是校驗位總為“1”。

UART功能框圖剖析

這張圖是當(dāng)年上學(xué)時使用System C對UART建模的模塊圖。對于接口部分，重要的即為Tx，Rx數(shù)據(jù)輸出，接收接口，clk提供波特率生成模塊的初始時鐘信號。有關(guān)控制器部分，在這里使用邏輯電路來實現(xiàn)，具體控制輸出/接收使能，設(shè)備使能等。

在目前的微控制器上，數(shù)字電路控制部分已被封裝，現(xiàn)在只需要操作對應(yīng)寄存器的對應(yīng)位即可實現(xiàn)對UART的控制。以手上芯片STM32F411為例，下圖是UART框圖：

波特率生成模塊：

USART 的發(fā)送器和接收器使用相同的波特率。有以下的計算公式

其中，fck為 USART 時鐘， USARTDIV 是一個存放在波特率寄存器（USART_BRR）的一個無符號定點數(shù)。其中 DIV_Mantissa[11:0]位定義 USARTDIV 的整數(shù)部分，DIV_Fraction[3:0]位定義 USARTDIV 的小數(shù)部分。

例如：DIV_Mantissa=24（0x18），DIV_Fraction=10（0x0A），此時 USART_BRR 值為0x18A；那么USARTDIV的小數(shù)位10/16=0.625；整數(shù)位24，最終USARTDIV的值為24.625。

波特率的常用值有 2400、9600、19200、115200。下面以實例講解如何設(shè)定寄存器值得到波特率的值。我們知道 USART1 使用APB2總線時鐘，最高可達72MHz，其他USART的最高頻率為36MHz。我們選取USART1作為實例講解，即fck=72MHz。為得到115200bps的波特率，此時：115200=72000000/（16?USARTDIV），解得USARTDIV=39.0625，可算得DIV_Fraction=0.0625*16=1=0x01，DIV_Mantissa=39=0x27，即應(yīng)該設(shè)置USART_BRR的值為0x171。

數(shù)據(jù)寄存器：

UART數(shù)據(jù)寄存器（USART_DR）只有低9位有效，并且第9位數(shù)據(jù)是否有效要取決于UART控制寄存器1（USART_CR1）的M位設(shè)置，當(dāng)M位為0時表示8位數(shù)據(jù)字長，當(dāng)M位為1表示9位數(shù)據(jù)字長，我們一般使用8位數(shù)據(jù)字長。

USART_DR包含了已發(fā)送的數(shù)據(jù)或者接收到的數(shù)據(jù)。USART_DR實際是包含了兩個寄存器，一個專門用于發(fā)送的可寫TDR，一個專門用于接收的可讀RDR。當(dāng)進行發(fā)送操作時，往USART_DR寫入數(shù)據(jù)會自動存儲在TDR內(nèi)；當(dāng)進行讀取操作時，向USART_DR讀取數(shù)據(jù)會自動提取RDR數(shù)據(jù)。

TDR和RDR都是介于系統(tǒng)總線和移位寄存器之間。串行通信是一個位一個位傳輸?shù)模l(fā)送時把TDR內(nèi)容轉(zhuǎn)移到發(fā)送移位寄存器，然后把移位寄存器數(shù)據(jù)每一位發(fā)送出去，接時把接收到的每一位順序保存在接收移位寄存器內(nèi)然后才轉(zhuǎn)移到RDR。

UART支持DMA傳輸，可以實現(xiàn)高速數(shù)據(jù)傳輸（不經(jīng)過CPU）,使能UART的DMA功能需要將USART_CR1寄存器DMAT位置1。

控制器：

UART有專門控制發(fā)送的發(fā)送器、控制接收的接收器，還有喚醒單元、中斷控制等。使用UART之前需要向USART_CR1寄存器的UE位置1使能UART，UE位用于開啟供給串口的時鐘。發(fā)送或者接收數(shù)據(jù)字長可選8或9位，由USARTT_CR1的M位控制。

1）發(fā)送器

當(dāng)USART_CR1寄存器的發(fā)送使能位TE置1時，啟動數(shù)據(jù)發(fā)送，發(fā)送移位寄存器的數(shù)據(jù)會在TX引腳輸出，低位在前，高位在后。

一個字符幀發(fā)送需要3部分：起始位、數(shù)據(jù)幀、停止位。起始位是一個位周期的低電平，位周期就是每一位占用的時間 ；數(shù)據(jù)幀就是我們要發(fā)送的8或9位數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)是最低位開始傳輸?shù)?；停止位是一定時間周期的高電平。

停止位的時間長短可以通過UART控制寄存器2（USART_CR2）的STOP[1:0]位控制，可選0.5個、1個、1.5個、2個停止位。默認(rèn)使用1個停止位。2個停止位適用于正常USART模式、單線模式和調(diào)制解調(diào)器模式。0.5和1.5個停止位用于智能卡模式。

當(dāng)發(fā)使能位TE置1之后，發(fā)送器開始會發(fā)送一個空閑幀（一個數(shù)據(jù)幀長度的高電平），接下來就可以往USART_DR寄存器寫入要發(fā)送的數(shù)據(jù)。在寫入最后一個數(shù)據(jù)后，需等待UART狀態(tài)寄存器（USART_SR）的TC位為1，表示數(shù)據(jù)傳輸完成。USART_CR1寄存器的TCIE位置1，則產(chǎn)生中斷。

發(fā)送數(shù)據(jù)時，幾個重要的標(biāo)志位如下：

TE：發(fā)送使能。

TXE：發(fā)送寄存器為空，發(fā)送單個字節(jié)時使用。

TC：發(fā)送完成，發(fā)送多個字節(jié)數(shù)據(jù)時候使用。

TXIE：發(fā)送完成中斷使能。

2）接收器

將CR1寄存器的RE位置1，使能USART接收，使得接收器在RX線開始搜索起始位。在確定起始位后，就根據(jù)RX線電平狀態(tài)把數(shù)據(jù)存放在接收移位寄存器內(nèi)。接收完成后就把接收移位寄存器的數(shù)據(jù)移到PDR內(nèi)，并把USART_SR寄存器的RXNE位置。如果USART_CR2寄存器的RXNEIE置1可以產(chǎn)生中斷。

接收數(shù)據(jù)時，幾個重要的標(biāo)志位如下：

RE：接收使能。

RXNE：讀數(shù)據(jù)寄存器非空。

RXNEIE：發(fā)送完成中斷使能。

USART_CR1寄存器：

USART_CR2寄存器：

USART_CR3寄存器：

關(guān)鍵詞：串口模塊