單片機常用通信協議-UART和USART

UART

　　通用異步收發傳輸器（Universal Asynchronous Receiver/Transmitter）。

 一、定義

　　UART是一種通用串行數據總線，用於異步通信。該總線實現全雙工傳輸和接收。在嵌入式設計中，UART用於主機與輔助設備通信。

 二、通信協議

　　UART作為異步串口通信協議的一種，工作原理是將傳輸數據的每個字符一位接着一位傳輸。

　　傳輸一幀中格式為：起始位、數據位、奇偶校驗位、停止位、空閑位

　　其中各位意義如下：

　　起始位：先發出一個邏輯“0”的信號，表示傳輸字符的開始。

　　數據位：緊接着從起始位后，數據位的個數可以是4、5、6、7、8等，構成一個字符。通常采用ASCII碼。從最低位開始傳送，靠時鍾定位。

　　奇偶校驗位：數據位加這一位后，使得“1”的位數應為偶數（偶校驗）或奇數（奇校驗），以此來校驗數據傳送的正確性。

　　停止位：是一個字符數據的結束標志。

　　空閑位：處於邏輯“1”狀態，表示當前線路上沒有數據傳送。

　　波特率：是衡量數據傳送速率的指標。表示每秒鍾傳送的符號數（symbol）。一個符號代表的信息量（比特數）與符號的階數有關。例如傳輸使用256階符號，每8bit代表一個符號，數據傳送速率為120字符/秒，則波特率為120*8=960bit/s。

三、基本結構

　　①輸出緩沖寄存器：它接收CPU從數據總線上送來的並行數據，並加以保存。

　　②輸出移位寄存器：它接收從輸出緩沖器送來的並行數據，以發送時鍾的速率把數據逐位移出，即將並行數據轉換位串行數據輸出。

　　③輸入移位寄存器：它以接收時鍾的速率把出現在串行數據輸入線上的數據逐位移入，當數據裝滿后，並行送往輸入緩沖寄存器，即將串行數據轉換成並行數據。

　　④輸入緩沖寄存器：它從輸入移位寄存器鍾接收並行數據，然后由CPU取走。

　　⑤控制寄存器：它接收CPU送來的控制字，由控制字的內容，決定通信時的傳輸方式以及數據格式等。例如采用異步方式還是同步方式，數據字符的位數，有無奇偶校驗，是奇校驗還是偶校驗，停止位的位數等參數。

　　⑥狀態寄存器：存放着接口的各種狀態信息，例如輸出緩沖區是否空，輸入字符是否准備好等。在通信過程中，當符合，某種狀態時，接口種的狀態檢測邏輯將狀態寄存器的相應位置“1”。

四、功能

　　在手機設計和測試階段被用來控制CPU與其余部分的訊息傳送。

　　UART是通用異步收發器（異步串行通信口）的英文縮寫，它包括了RS232、RS449、RS423、RS422和RS485等接口標准規范和總線標准規范，即UART是異步串行通信口的總稱。 而RS232、RS449、RS423、RS422和RS485等，是對應各種異步串行通信口的接口標准和總線標准，它規定了通信口的電氣特性、傳輸速率、連接特性和接口的機械特性等內容。實際上是屬於通信網絡中的實體層（Physical Layer）的概念，與通信協議沒有直接關系。而通信協議，是屬於通信網絡中的資料鏈接層（Data Link Layer）的概念。 COM是PC（個人計算機）上，異步串行通信口的簡寫。由於歷史原因，IBM的PC外部接口配置為RS232，成為實際上的PC界默認標准。所以，現在PC機的COM均為RS232。若配有多個異步串行通信口，則分別稱為COM1、COM2... 。

 

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USART

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

一、主要特點　

　　1. 全雙工操作；

　　2. 同步操作時，可主機時鍾同步，也可從機時鍾同步；

　　3. 獨立的高精度波特率發生器，不占用定時/計數器；

　　4. 支持5、6、7、8和9位數據位，1或2位停止位的串行數據楨結構；

　　5. 由硬件支持的奇偶檢驗位發生和檢驗；

　　6. 數據溢出檢測；

　　7. 幀錯誤檢測；

　　8. 包括錯誤起始位的檢測噪聲濾波器和數字低通濾波器；

　　9. 三個完全獨立的中斷，TX發送完成、TX發送數據寄存器空、RX接收完成；　　

　　10.支持多機通信模式；

　　11.支持倍速異步通信模式。

 二、結構組成

　　USART收發模塊一般分為三大部分：時鍾發生器、數據發送器和接收器。控制寄存器為所有的模塊共享。

　　時鍾發生器由同步邏輯電路（在同步從模式下由外部時鍾輸入驅動）和波特率發生器組成。發送時鍾引腳XCK僅用於同步發送模式下，

　　發送器部分由一個單獨的寫入緩沖器（發送UDR）、一個串行移位寄存器、校驗位發生器和用於處理不同幀結構的控制邏輯電路構成。使用寫入緩沖器，實現了連續發送多幀數據無延時的通信。

　　接收器是USART模塊最復雜的部分，最主要的是時鍾和數據接收單元。數據接收單元用作異步數據的接收。除了接收單元，接收器還包括校驗位校驗器、控制邏輯、移位寄存器和兩級接收緩沖器（接收UDR）。接收器支持與發送器相同的幀結構，同時支持幀錯誤、數據溢出和校驗錯誤的檢測。

三、與UART兼容性

　　USART 在如下方面與AVR UART 完全兼容：

　　  所有USART 寄存器的位定義；

　　  波特率發生器；

　　  發送器操作；

　　  發送緩沖器的功能；

　　  接收器操作。

 

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UART和USART的區別

　　USART在UART基礎上增加了同步功能，即USART是UART的增強型。

　　同步是指：發送方發出數據后，等接收方發回響應以后才發下一個數據包的通訊方式。  
　　異步是指：發送方發出數據后，不等接收方發回響應，接着發送下個數據包的通訊方式。

　　同步是阻塞模式，異步是非阻塞模式。

　　其實當我們使用USART在異步通信的時候，它與UART沒有什么區別，但是用在同步通信的時候，區別就很明顯了：大家都知道同步通信需要時鍾來觸發數據傳輸，也就是說USART相對UART的區別之一就是能提供主動時鍾。