UART异步串口协议，传输过程，物理层，优缺点
什么是UART
- 通用异步收发传输器（Universal Asynchronous Receiver/Transmitter，通常称为UART），在UART通信中，两个UART直接通信。
- 发送端的UART将来自控制设备（如CPU）的并行数据转换为串行数据，以串行方式将其发送到接收端的UART，然后由接收端的UART将串行数据转换为并行数据以用于接收设备的正常处理。
- 只需要两根线RX/TX，即可实现在两个UART串口设备之间的数据传输。
异步串口通信协议
- 消息帧从一个低位起始位开始，后面是 7 个或 8 个数据位，一个可用的奇偶位和一个或几个高位停止位。接收器发现开始位时它就知道数据准备发送，并尝试与发送器时钟频率同步。如果选择了奇偶校验， UART 就在数据位后面加上奇偶位。奇偶位可用来帮助错误校验。在接收过程中， UART 从消息帧中去掉起始位和结束位，对进来的字节进行奇偶校验，并将数据字节从串行转换成并行。 UART 传输时序如下图所示：
- 从波形上可以看出起始位是低电平，停止位和空闲位都是高电平，也就是说没有数据传输
时是高电平，利用这个特点我们可以准确接收数据，当一个下降沿事件发生时，我们认为将进
行一次数据传输。
起始位
- UART数据传输线通常在不传输数据时保持在高电平。
- 为了开始数据传输，发送端UART在一个时钟周期内将传输线从高电平拉低到低电平。
- 当接收端UART检测到高电压到低电压转换时，它开始以波特率的频率读取数据位中的每一位数据。
数据
- 数据位包含正在传输的实际数据。如果使用奇偶校验位，则可以是5位，最多8位。如果不使用奇偶校验位，则数据帧的长度可以为9位。
校验位
- 在串口通信中有四种检错方式：偶校验、奇校验、高校验和低校验。当然，没有校验位也是可以的。
- 对于偶和奇校验的情况，串口会设置校验位（数据位后面的一位），用一个值确保传输的数据有偶个或者奇个逻辑高位。
- 举个例子，如果数据是011，则满足：若采用偶校验，则校验位为0，保证逻辑高的位数是偶数个；反之，若采用奇校验，则校验位为1，保证逻辑高的位数是奇数个。
- 具体如下图所示
波特率
- 波特率是指 1 秒最大传输的数据位数，即
Bit/s，包括起始位、数据位、校验位、停止位。 - 常见的串口通信波特率有9600，19200，38400，57600，115200等，发送和接收波特率必须保持一致才能正确通信。
- 假设目前UART的配置为，1个起始位，8个数据位，0个校验位，1个停止位，那么9600的波特率，可以计算出每一位数据的时间宽度为：
- 那么传输一个字节（也就是10 bit 数据）需要的时间为 1.04 毫秒。
- 下表是各个波特率下数据位时间宽度：
| Time | Baud Rate |
|---|---|
| 300 | |
| 1200 | |
| 2400 | |
| 4800 | |
| 9600 | |
| 14400 | |
| 19200 | |
| 28800 | |
| 38400 | |
| 57600 | |
| 115200 | |
| 230400 |
物理层
- 在UART串口通信中，物理层上有TTL、RS232、RS422、RS485几种不同的电平标准，下面介绍这几个存在的差异。
TTL
- TTL全名是晶体管-晶体管逻辑集成电路(Transistor-Transistor Logic)
- 输入高电平最小2V，输出高电平最小2.4V，典型值3.4V；
- 输入低电平最大0.8V，输出低电平最大0.4V，典型值0.2V。
- 常用的TTL电平串口，通常有UART有4个pin（VCC, GND, RX, TX）, 用的TTL电平, 低电平为0(0V)，高电平为1(3.3V或以上)。
RS232
- RS-232是美国电子工业协会EIA（Electronic Industry Association）制定的一种串行物理接口标准。RS是英文“推荐标准”的缩写，232为标识号。
- 该标准规定采用一个25个脚的DB-25 连接器，对连接器的每个引脚的信号内容加以规定，还对各种信号的电平加以规定。后来IBM的PC 机将RS-232 简化成了DB-9 连接器，从而成为今天的事实标准。而工业控制的RS-232 口一般只使用RXD(2)、TXD(3)、GND(5) 三条线。
- RS232 逻辑1电平(MARK)=-3V～-15V，逻辑0电平(SPACE)=+3～+15V；
- 同样的，对于传输数据0x55，即二进制的01010101，RS232和TTL的区别如下:
- 需要注意，RS422接口的信号电平值较高，易损坏接口电路芯片，又因为232电平与TTL电平不兼容故需使用电平转换电路方能与TTL电路连接。
RS422
- RS422 的接口部分是差分的信号，共四根信号线，两根发送 TXD+和 TXD-，对应 Y 和 Z，两根接收 RXD+和 RXD-，对应 A 和 B。
- 平衡型串行通信接口RS-422。RS-422（EIA RS-422-A Standard）是Apple的Macintosh计算机的串口连接标准。RS-422使用差分信号，RS-232使用非平衡参考地的信号。差分传输使用两根线发送和接收信号，对比RS-232，它能更好的抗噪声和有更远的传输距离。在工业环境中更好的抗噪性和更远的传输距离是一个很大的优点。
- RS422采用采用平衡式发送，差分式接收的数据收发器来驱动总线。逻辑1以两线间的电压差为+(210)V表示；逻辑"0"以两线间的电压差为-(210)V表示；终端负载100欧姆。
RS485
- 而 RS485 与 RS422 类似，也是采用差分信号传输，但RS485 是半双工传输，也就是说，同一时刻只能有一个方向的数据传输。而且接口也比 RS422少，只有差分信号 A 和 B， 而与 ARM 或 FPGA 相连的信号为 DE（方向选择） ,DI（输入信号TXD）， RO（输出信号 RXD）。
- RS-485的电气性能与RS-422完全一样。主要的区别在于：RS-422 有4 根信号线：两根发送（Y、Z）、两根接收（A、B）。由于RS-422 的收与发是分开的所以可以同时收和发（全双工）。而RS-485 只有两根数据线：发送和接收都是A 和B。由于RS-485 的收与发是共用两根线，所以不能同时收和发（半双工）。
- RS-485标准采用平衡式发送，差分式接收的数据收发器来驱动总线。逻辑1以两线间的电压差为+(26)V表示；逻辑"0"以两线间的电压差为-(26)V表示；终端输入电阻。
优缺点
优点
- 通信只需要两条数据线；
- 无需时钟信号；
- 有奇偶校验位，方便通信的差错检查；
- 只需要接收端和发送端设置好数据包结构，即可稳定通信；
缺点
- 数据帧最大支持9位数据；
- 不支持多主机或多从机的主从系统；