UART（Universal Asynchronous Receiver / Transmitter）通用異步收發(fā)器是一種常用的串行通信協(xié)議，在汽車嵌入式系統(tǒng)中常用于MCU與MCU，或MCU與外設(shè)之間的數(shù)據(jù)通信。

可用于線路板內(nèi)部芯片間串行通信的還有SPI（Serial Peripheral Interface，串行外圍設(shè)備接口）總線《為什么說SPI總線的數(shù)據(jù)傳輸與眾不同？》和I2C（Inter-Integrated Circuit，集成電路互連）總線《I2C與SPI總線有什么區(qū)別？》。

UART是如何通信的？它與SPI和I2C通信協(xié)議有什么區(qū)別呢？

1.通信方式

1.1物理接口

SPI總線有4條線，串行數(shù)據(jù)線MOSI和MISO、串行時鐘線SCK和從設(shè)備選擇線SS。

SPI總線接口1對1原理框圖

I2C總線僅需要兩條線就可以實(shí)現(xiàn)芯片之間的互連通信，這兩條線分別為串行數(shù)據(jù)線SDA和串行時鐘線SCL。

I2C總線接口1對1原理框圖

UART總線也只需兩條線就可以實(shí)現(xiàn)芯片之間的互連通信，這兩根線分別為串行數(shù)據(jù)發(fā)送線TX和串行數(shù)據(jù)接收線RX。

UART接口1對1原理框圖

這里要注意的是，UART信號線必須交叉連接，也就是己方的發(fā)送TX與對方的接收RX相連，己方的接收RX與對方的發(fā)送TX相連。

通過三種通信接口對比可知，UART的物理接口最簡單，不僅線少，而且不需要上拉電阻等外圍電路。

1.2全雙工與半雙工

SPI共有4個線，其中有2個數(shù)據(jù)線MOSI和MISO；UART共有2個線，分別是數(shù)據(jù)線TX和RX；I2C共有2個線，只有1個數(shù)據(jù)線SDA。

SPI和UART的2個數(shù)據(jù)線分別用于發(fā)送和接收，所以可以實(shí)現(xiàn)全雙工的通信，所謂的雙工就是指可以在發(fā)送與接收兩個方向上傳輸數(shù)據(jù)，全雙工就是可以同時進(jìn)行收發(fā)。

而I2C只用1根數(shù)據(jù)線，也可以實(shí)現(xiàn)兩個方向的傳輸，但是同一時刻只能進(jìn)行收或發(fā)，不能同時進(jìn)行，因此I2C是一種半雙工的通信方式。

SPI用4個線實(shí)現(xiàn)了全雙工，I2C用2個線實(shí)現(xiàn)了半雙工，而UART只用2個線就實(shí)現(xiàn)了全雙工的通信方式，可以說性價比非常高！

1.3通信速率

SPI并沒有規(guī)定最大傳輸速率，傳輸速率主要取決于SCK串行時鐘頻率，而SCK又取決于芯片的工作頻率，通?？梢赃_(dá)到20MHz甚至更高。

I2C的傳輸速率不僅與SCL時鐘頻率有關(guān)，還與工作模式有關(guān)，8位的串行雙向數(shù)據(jù)傳輸速率在標(biāo)準(zhǔn)模式下最高可達(dá)100 kbit/s，在快速模式下最高可達(dá)400 kbit/s，在快速增強(qiáng)模式下最高可達(dá)1 Mbit/s，在高速模式下最高可達(dá)3.4 Mbit/s。8位的單向數(shù)據(jù)傳輸，在超快速模式下最高可達(dá)5 Mbit/s。

UART在外部物理接口上并沒有SCK或SCL等時鐘信號，它的通信速率，也就是波特率與MCU中的系統(tǒng)時鐘有關(guān)，可根據(jù)MCU內(nèi)部的分頻器設(shè)置，常常見的波特率有2400、4800、9600、19200、38400、57600、115200。

在這三種通信協(xié)議中，SPI的通信速率最快，其次是I2C，UART的傳輸速度最慢！

1.4同步與異步

同步通信是指收發(fā)雙方具有同頻率和同相位的同步時鐘信號，在傳送報(bào)文開始時會通過特定的同步字符，使收發(fā)雙方建立同步，此后在同步時鐘的控制下逐位發(fā)送和接收。

SPI和I2C就是同步串行通信。SPI主設(shè)備負(fù)責(zé)產(chǎn)生時鐘信號，從設(shè)備必須使用主設(shè)備的時鐘信號，時鐘信號通過時鐘極性（CPOL）和時鐘相位（CPHA）控制兩個SPI 設(shè)備間何時數(shù)據(jù)傳輸以及何時進(jìn)行采樣，通過相同的工作模式來保證數(shù)據(jù)在兩個設(shè)備之間的同步傳輸。

SPI Clock Format 1 (CPHA = 1)

I2C的時鐘同步是通過SCL接口和SCL總線之間的“線與”連接來執(zhí)行的。當(dāng)有兩個主機(jī)同時啟動傳輸時，主機(jī)一的SCL接口檢測到總線上由高電平到低電平的轉(zhuǎn)換時，便拉低自己的SCL，并開始倒計(jì)時應(yīng)有的SCL低電平保持時間，直到應(yīng)有的低電平時間結(jié)束，會把SCL時鐘拉到高電平狀態(tài)。

如果主機(jī)二的SCL時鐘仍然處于低電平周期內(nèi)，則主機(jī)一的SCL時鐘由低到高的轉(zhuǎn)換不會改變SCL總線為低電平的狀態(tài)，主機(jī)一的SCL時鐘會進(jìn)入高電平等待狀態(tài)。因此，SCL總線會被具有最長低電平周期的主機(jī)保持在低電平。

當(dāng)所有的主機(jī)都已完成自身低電平周期的計(jì)時時，SCL時鐘總線會被釋放并變?yōu)楦唠娖?。主機(jī)SCL接口和SCL總線的狀態(tài)之間保持一致，都為高電平。所有主機(jī)開始計(jì)算它們的高電平周期。第一個完成高電平周期的主機(jī)再次將SCL線拉低。

這樣，就產(chǎn)生了同步的SCL總線時鐘，其低周期由具有最長時鐘低周期的主機(jī)確定，其高周期由具有最短時鐘高周期的主機(jī)確定。

I2C總線時鐘同步

UART沒有時鐘線，只有發(fā)送和接收數(shù)據(jù)線，是異步串行通信接口，UART異步通信是按幀（5-9位）發(fā)送，常用的為按字符（8位）發(fā)送。通信中兩個幀之間的時間間隔是不固定的，而在一個幀內(nèi)各位的時間間隔是固定的。

UART幀發(fā)送時間不固定

異步通信發(fā)送端可以在任意時刻開始發(fā)送數(shù)據(jù)幀，接收端必須時刻做好接收的準(zhǔn)備。異步通信在幀內(nèi)是通過起始位和結(jié)束位來確定位時序的，這樣就可以確保接收端能夠完整準(zhǔn)確地收到每一個數(shù)據(jù)幀。

由于異步通信沒有主設(shè)備提供的時鐘，通信雙方必須預(yù)先設(shè)置相同的波特率才能正常收發(fā)數(shù)據(jù)。

1.5單點(diǎn)與多點(diǎn)通信

SPI和I2C總線都采用主從模式通信，通信網(wǎng)絡(luò)中都會有1個主設(shè)備，1個以上的從設(shè)備，也就是可以實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)通信。

主設(shè)備在查找從設(shè)備時，SPI為硬件尋址，通過SS硬線信號選擇從設(shè)備。

SPI總線1主3從原理框圖

I2C為軟件尋址，主設(shè)備通過數(shù)據(jù)線中的地址數(shù)據(jù)來實(shí)現(xiàn)片選功能。

I2C總線2主2從原理框圖

UART通信中并沒有地址的概念，也沒有主從的概念。每個設(shè)備在發(fā)送數(shù)據(jù)時，會拉低TX管腳，而接收數(shù)據(jù)時則依賴于對方設(shè)備的TX管腳被拉低。這種機(jī)制決定了UART通信在設(shè)備直連時只能實(shí)現(xiàn)一對一的通信，也就是單點(diǎn)通信。因?yàn)槿绻嵌鄠€設(shè)備連接TX，當(dāng)一個設(shè)備發(fā)送數(shù)據(jù)時，其他設(shè)備的TX也會被拉低，導(dǎo)致電平邏輯混亂，無法正確接收數(shù)據(jù)。

所以SPI和I2C是多點(diǎn)連接，可以稱為總線，但是UART只能單點(diǎn)連接，不能稱為總線。

2.通信協(xié)議

UART的通信的基本原理是將并行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為按位輸出的串行數(shù)據(jù)，每個數(shù)據(jù)幀的位數(shù)不是固定的，范圍是5-9個位。

2.1空閑位

通信空閑時，信號線上始終為高電平，表示無數(shù)據(jù)傳輸。

2.2起始位

起始位為低電平，當(dāng)發(fā)送端發(fā)出起始位時，表示傳輸字符的開始；當(dāng)接收端Rx收到起始位，也就是信號電平由高到低轉(zhuǎn)換時，接收端就會以預(yù)先設(shè)定好的波特率接收數(shù)據(jù)。

2.3數(shù)據(jù)位

起始位后，發(fā)送端TX會開始發(fā)送數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)幀長度可以是5-9位。沒有奇偶校驗(yàn)位時最大是9位，有奇偶校驗(yàn)位時最大是8位。

2.4校驗(yàn)位

數(shù)據(jù)傳輸完成后會有1個校驗(yàn)位，校驗(yàn)方法主要使用的是奇偶校驗(yàn)，奇偶校驗(yàn)位的值取決于數(shù)據(jù)幀中“1”的總數(shù)是奇數(shù)還是偶數(shù)。

除了奇偶校驗(yàn)，還有其它方式可以設(shè)置：

1）無校驗(yàn)：無校驗(yàn)就是不進(jìn)行數(shù)據(jù)校驗(yàn)；沒有校驗(yàn)位時，數(shù)據(jù)幀可以增加1位，所以最大是9位。

2）奇校驗(yàn)：確保包含校驗(yàn)位在內(nèi)的數(shù)據(jù)幀中1的個數(shù)是奇數(shù)。

比如當(dāng)數(shù)據(jù)中1的個數(shù)是4(偶數(shù))時，校驗(yàn)位為1，確?？倲?shù)4+1=5為奇數(shù)。

當(dāng)個數(shù)是3（奇數(shù)）時，校驗(yàn)位為0，確?？倲?shù)3+0=3仍為奇數(shù)。

3）偶校驗(yàn)：確保包含校驗(yàn)位在內(nèi)的數(shù)據(jù)幀中1的個數(shù)是偶數(shù)。

比如當(dāng)數(shù)據(jù)中1的個數(shù)是4(偶數(shù))時，校驗(yàn)位為0，確保總數(shù)4+0=4為偶數(shù)。

當(dāng)個數(shù)是3（奇數(shù)）時，校驗(yàn)位為1，確保總數(shù)3+1=4仍為偶數(shù)。

偶校驗(yàn)與奇校驗(yàn)的結(jié)果剛好相反。

奇偶校驗(yàn)

4）固定1校驗(yàn)，校驗(yàn)位始終為1。

5）固定0校驗(yàn)，校驗(yàn)位始終為0。

2.4停止位

停止位為高電平，表示數(shù)據(jù)傳輸結(jié)束。停止位長度為1-2位，可以選擇1、1.5或2位的時長。

與SPI和I2C相比，UART的協(xié)議要簡單很多，不需要時鐘同步信號。

I2C總線數(shù)據(jù)傳輸格式

UART也不需要應(yīng)答、仲裁等機(jī)制。

SPI通訊時序圖

3.通信實(shí)例

設(shè)置通信數(shù)據(jù)為8位，停止為1位，傳輸數(shù)據(jù)為0x25（00100101）時，數(shù)據(jù)傳輸時序如下圖所示：

0x25數(shù)據(jù)傳輸時序

這里要注意的是，UART的數(shù)據(jù)傳輸是低位LSB在前，所以時序圖中的數(shù)據(jù)順序是10100100。

4.小結(jié)

UART是異步串行通信，SPI和I2C總線是同步串行通信，UART和SPI是全雙工，I2C是半雙工。

與SPI和I2C相比，UART的接口簡單，不需要復(fù)雜的同步機(jī)制，對時序的要求比較低。它的通信速率不高，傳輸效率也不高，適合用于數(shù)據(jù)量不大，實(shí)時性要求不高的點(diǎn)對點(diǎn)的應(yīng)用場景，是一種簡單、經(jīng)濟(jì)、有效的串行通信方式。