UART硬件介绍

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• 往期内容
• 前言
• 1.串口的硬件介绍
• 2.串口的参数
• 3.串口电平
• 4.串口内部结构
• 5.串口和引脚

前言

串口（UART）作为嵌入式系统中广泛应用的通信接口，以其结构简单、稳定可靠的特点，成为调试与模块连接的首选。串口硬件由发送与接收部分组成，通过三根线（TXD、RXD、GND）实现数据交互。本文介绍了串口的基本参数，如波特率、数据位、校验位等，分析了不同逻辑电平（TTL/CMOS与RS-232）的差异及其在实际应用中的适配性。现代ARM芯片通常采用TTL电平，通过转换芯片支持RS-232或USB接口，实现与外设或电脑间的数据通信。还讲解了串口的内部结构与数据传输流程。

1.串口的硬件介绍

UART的全称是Universal Asynchronous Receiver and Transmitter，即异步发送和接收。

串口在嵌入式中用途非常的广泛，主要的用途有：

• 打印调试信息；
• 外接各种模块：GPS、蓝牙；

串口因为结构简单、稳定可靠，广受欢迎。通过三根线即可，发送、接收、地线。

TxD线把PC机要发送的信息发送给ARM开发板。最下面的地线统一参考地。

2.串口的参数

• 波特率：一般选波特率都会有9600,19200,115200等选项。每秒传递的码元个数，二进制调制下意思就是每秒传输这么多个比特位数(bit)。(二进制调制下波特率其实就是等同于比特率，如果是多进制下则不是。)
• 起始位：先发出一个逻辑"0"的信号，表示传输数据的开始。
• 数据位：可以是5~8位逻辑"0"或"1"。如ASCII码（7位），扩展BCD码（8位）。小端传输。
• 校验位：数据位加上这一位后，使得"1"的位数应为偶数(偶校验)或奇数(奇校验)，以此来校验数据传送的正确性。
• 停止位：它是一个字符数据的结束标志。

怎么发送一字节数据，比如'A'?

双方约定好波特率：每一位占据的时间，假设为1s（夸张的情况下）

原来TxD和RxD（发送引脚和接收引脚）之间是高电平，ARM拉低电平，保持1bit时间

PC在低电平处开始计时

ARM根据数据（bit）驱动TxD电平(驱动发送引脚处的电平)，好让PC处的RxD引脚去接收

TxD = Data[0]

TxD = Data[1]

...

TxD = Data[7]

以上结合起来为数据位

PC则每个数据位 的中间读取RxD引脚的状态（收到的TxD数据发然PC读取存进PC）

Data[0] = RxD(t0)

Data[1] = RxD(t1)

...

Data[7] = RxD(t7)

如果是以前的电子，那TxD可能还会在发送完数据后再发送一个校验位

分为奇数位和偶数位：数据位+校验位中为1的位的个数为奇还是偶数

传输完数据后，还要引入停止位，把电平恢复到原来的电平状态(高电平)

前面图中提及到了逻辑电平，也就是说代表信号1的引脚电平是人为规定的。

如图是TTL/CMOS逻辑电平下，传输'A'时的波形：

在xV至5V之间，就认为是逻辑1，在0V至yV之间就为逻辑0。

如图是RS-232逻辑电平下，传输'A'时的波形：

在-12V至-3V之间，就认为是逻辑1，在+3V至+12V之间就为逻辑0。

RS-232的电平比TTL/CMOS高，能传输更远的距离，在工业上用得比较多。

市面上大多数ARM芯片都不止一个串口，一般使用串口0来调试，其它串口来外接模块。

3.串口电平

ARM芯片上得串口都是TTL电平的，通过板子上或者外接的电平转换芯片，转成RS232接口，连接到电脑的RS232串口上，实现两者的数据传输。

现在的电脑越来越少有RS232串口的接口，当USB是几乎都有的。因此使用USB串口芯片将ARM芯片上的TTL电平转换成USB串口协议，即可通过USB与电脑数据传输。

上面的两种方式，对ARM芯片的编程操作都是一样的。

电脑是USB接口

差不多，把电平转换芯片换成USB串口芯片，如果采用的逻辑电平方式不同的话，额外加上电平转换芯片即可 -- JZ2440开发板

注意：

串口0一般都是用来与电脑相连打印调试信息，其它串口用来连接模块，如果连接的模块和串口1、2...是相同的逻辑电平那可以直接连接，如果不是那也是需要用到电平转换芯片

4.串口内部结构

ARM芯片是如何发送/接收数据？

如图所示串口结构图：

上图为开发板内串口的UART协议

Transmit Shifter: 发送移位器，将开发板的数据逐位发送到TxD引脚发送给PC端的UART硬件

Transmmit Buffer：发送缓冲寄存器，接收开发板内存发送过来的数据然后发送给移位器

Receive Shifter: 接收移位器，逐行接收PC发送给开发板上的UART硬件中的引脚的数据，然后发送给Receive Buffer

Receive Buffer: 接收缓冲寄存器，开发板内存中会将Receive Buffer中的数据读走

要发送数据时，CPU控制内存要发送的数据通过FIFO传给UART单位，UART里面的移位器，依次将数据发送出去，在发送完成后产生中断提醒CPU传输完成。

接收数据时，获取接收引脚的电平，逐位放进接收移位器，再放入FIFO，写入内存。在接收完成后产生中断提醒CPU传输完成。

5.串口和引脚

串行接口简称串口，也称串行通信接口或串行通讯接口（通常指COM接口），是采用串行通信方式的扩展接口。其特点是通信线路简单，只要一对传输线就可以实现双向通信（可以直接利用电话线作为传输线），从而大大降低了成本，特别适用于远距离通信，但传送速度较慢。

引脚，任何一个芯片都要在有电的时候去工作，那么它必然就有一个VCC，一个GND，这个VCC和GND就是两个引脚，除了这些，还有一些其他的引脚，比如RST，普通的IO都是引脚。

引脚与串口的区别，他们都是物理接口，若干个特定的IO(引脚)组成一个串口，比如我们的单片机的串口(包涵了引脚GND VCC RXD TXD)。

串口（Serial Port）：串口是一种用于在计算机和外部设备之间进行数据传输的接口。它通常用于通过串行通信协议（如RS-232、RS-485、UART等）来传输数据。串口通常具有多个引脚，包括数据线（如TX、RX）、控制线（如RTS、CTS）和地线（GND）。串口可以用于与各种外部设备进行通信，如调制解调器、打印机、传感器等。

引脚（Pin）：引脚是电子设备上的接点，用于连接和传输电信号。引脚通常用于连接电子元件（如集成电路、传感器、电机等）或连接外部设备（如显示器、键盘、LED等）。引脚可以用于输入和输出电信号，以实现数据的传输和控制。引脚的功能和用途取决于所连接的设备或电路的设计。