一、UART 核心概念：什么是通用异步收发器
UART 的全称是Universal Asynchronous Receiver Transmitter，即通用异步收发器，是一种硬件电路接口，也是一套独立的异步串行通信协议。
从通信特性来看，UART 有三个核心标签：
- 异步通信：通信双方不需要时钟线同步，仅依靠约定的通信参数来保证数据传输的准确性。
- 全双工通信：数据的发送和接收可以同时进行，互不干扰。
- 串行通信：数据通过一根信号线逐位传输，区别于并行通信的多线同时传输。
简单来说，UART 就像嵌入式设备的 "串口信使"，按照约定好的规则，完成设备与外界的数据收发。
二、UART 接线方式：记住 "交叉连接" 这个关键
UART 接口的硬件接线非常简洁，核心只有 4 根线，实际通信中常用 3 根（无需供电时可不用 VCC）：
- VCC：接电源正极，为外部设备供电。
- GND：接地，保证通信双方共地，避免信号干扰。
- RXD：数据接收线，负责接收外部设备发送的数据。
- TXD：数据发送线，负责向外部设备发送数据。
⚠️ 关键注意事项 使用串口与外部设备通信时，必须遵循交叉连接原则：设备 A 的 TXD ↔ 设备 B 的 RXD设备 A 的 RXD ↔ 设备 B 的 TXD
如果接反了 TXD 和 RXD，两个设备就无法正常通信，这是串口调试中最常见的 "坑" 之一。
三、通信方式大比拼：单工、半双工与全双工
在讲解 UART 的全双工特性前，我们先理清三种通信方式的区别，这也是嵌入式通信的基础知识点。
| 通信方式 | 核心特点 | 数据线数量 | 数据传输方向 |
|---|---|---|---|
| 单工 | 发送方和接收方固定 | 1 根 | 单向，只能 A→B 或 B→A |
| 半双工 | 双方可收发，但不能同时 | 1 根 | 双向，但同一时刻只能单向（A 发 B 收时，B 不能发 A 收） |
| 全双工 | 双方可同时收发 | 2 根 | 双向，任意时刻可同时收发 |
UART 采用的就是全双工通信，通过 RXD 和 TXD 两根独立的数据线，实现数据的同时收发。比如单片机向串口助手发送数据的同时，也能接收串口助手下发的指令，这就是全双工的优势。
四、UART 数据发送顺序：低位先行，别搞反了
UART 传输数据时，遵循LSB 优先 原则，也就是低位先行 。我们以一个具体的字节数据为例：假设要发送的字节是0xA6，转换成二进制是 1 0 1 0 0 1 1 0，各位的位序号如下（MSB 是最高位，LSB 是最低位）：
| 位序号 | bit7（MSB） | bit6 | bit5 | bit4 | bit3 | bit2 | bit1 | bit0（LSB） |
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 发送数据 | 1 | 0 | 1 | 0 | 0 | 1 | 1 | 0 |
| 发送顺序 | 8 | 7 | 6 | 5 | 4 | 3 | 2 | 1 |
可以看到，发送顺序的第 1 位是 bit0（最低位），最后一位才是 bit7（最高位）。这个顺序是 UART 协议规定的，所有支持 UART 的设备都必须遵循，否则会出现数据解析错误。
五、串行 vs 并行：两种传输方式的优缺点对比
UART 属于串行通信，而串行通信和并行通信是嵌入式系统中两种主要的数据传输方式，二者的差异非常明显：
1. 串行通信
- 传输方式：通过一根数据线，将多个 bit 按照先后次序逐位发送。
- 优点：硬件成本低（只需少量数据线）、传输距离远、抗干扰性好。
- 缺点：传输速率相对较慢。
- 典型应用：UART、SPI、I2C 等。
2. 并行通信
- 传输方式：通过多根数据线，将多个 bit 同时发送。
- 优点：传输速率快，数据位可以并行传输。
- 缺点：硬件成本高（需要多根数据线）、传输距离近（距离增加会导致信号偏移、电磁干扰加剧，出现数据误差）。
- 典型应用：单片机的并行 IO 口扩展、内存条的数据传输等。
对于嵌入式设备的远距离、低成本通信需求，串行通信显然是更优的选择，这也是 UART 被广泛应用的原因。
六、UART 串口通信时序图：看懂数据传输的全过程
UART 的异步通信没有时钟线，那么收发双方如何判断数据的起始和结束？这就需要靠时序规则 来约束。一个完整的 UART 数据帧通常包含以下几个部分（以常见的8N1格式为例）：
- 起始位：1 位低电平，标志着数据传输的开始。
- 数据位：5~9 位，最常用的是 8 位，承载实际的传输数据。
- 校验位：0~1 位，用于数据校验，可选奇校验、偶校验或无校验。
- 停止位：1 位、1.5 位或 2 位高电平，标志着一个数据帧的结束。
时序图的核心逻辑是：
- 空闲状态下，串口数据线保持高电平。
- 当发送数据时，首先拉低数据线产生 1 位起始位，通知接收方准备接收。
- 随后发送数据位（低位先行），接着发送校验位（如果有）。
- 最后拉高数据线产生停止位，结束本次传输。
- 接收方通过检测起始位的下降沿，同步数据的接收节奏，按照约定的参数解析数据。
七、奇偶校验：数据传输的 "纠错小助手"
奇偶校验是 UART 的一种简单差错检测方式，目的是验证数据传输过程中是否发生错误。需要注意的是，奇偶校验无法判断偶数个 bit 出错的情况，只能检测奇数个 bit 的错误，属于一种 "轻量级" 的校验方式。
1. 奇校验（Odd）
校验位的取值规则：数据位中 1 的个数 + 校验位的 1，总个数为奇数 。举例：数据位是10100110（其中 1 的个数是 4），为了让总个数是奇数，校验位需要设为1（4+1=5，奇数）。
2. 偶校验（Even）
校验位的取值规则：数据位中 1 的个数 + 校验位的 0，总个数为偶数 。举例：同样的数据位10100110（1 的个数是 4），校验位设为0（4+0=4，偶数）即可满足要求。
3. 无校验（None）
不使用校验位，数据帧中只有起始位、数据位和停止位，是最常用的配置方式。
八、UART 通信参数：波特率、数据位、校验位、停止位
UART 通信的核心是双方参数必须完全一致 ，否则会出现乱码或无法通信。通信参数通常用 "波特率 数据位 校验位 停止位" 的格式表示，常见的配置有9600 8 N 1、2400 8 E 1、115200 8 O 1。
我们来拆解每个参数的含义：
- 波特率 ：串口每秒传输的 bit 数量，是衡量传输速率的指标。常见的波特率有2400、4800、9600、115200等。波特率越高，传输速率越快，但传输距离会相应缩短，抗干扰性也会下降。比如 9600 波特率适合远距离通信，115200 波特率适合近距离高速传输。
- 数据位 ：每个数据帧中承载实际数据的位数，常用的是8 位，也可以是 5、6、7 位。
- 校验位 ：可选N（无校验）、E（偶校验）、O（奇校验）。
- 停止位 ：标志数据帧结束的位数，常用的是1 位，也可以是 1.5 位或 2 位。
九、同步通信 vs 异步通信：时钟线是关键区别
UART 是异步通信的代表，而同步通信和异步通信的核心差异，在于是否需要时钟线同步：
- 同步通信：通信双方通过一根时钟线（CLK）同步通信频率，发送方通过时钟信号控制数据的发送节奏，接收方根据时钟信号采样数据。优点是传输速率高、时序精准；缺点是需要额外的时钟线，硬件成本高。典型应用：SPI、I2C。
- 异步通信：没有时钟线，收发双方通过约定的波特率来保证数据同步。优点是硬件接线简单；缺点是传输速率相对较低，且对波特率的一致性要求高。典型应用：UART。
十、UART 串口寄存器配置：以 51 单片机为例
在嵌入式编程中，配置 UART 需要操作对应的寄存器，这里以经典的 51 单片机为例，讲解核心寄存器的配置方法。
流程图
1. SCON 寄存器：串口控制寄存器
SCON 寄存器用于设置串口的工作模式、允许接收以及标识收发状态，核心配置步骤：
1、将SCON寄存器中的bit6和bit7清0
2、再将SCON寄存器中的bit6置1，代表串口工作在8位UART，波特率可变模式
3、将SCON寄存器中的REN位置1，代表允许串口接收数据
TI位（发送中断标志位）， 用来查询8位数据是否发送完毕，发送完毕后会自动置1；必须用软件清0
RI 位（接收中断标志位），用来查询8位数据是否接收完毕，接收完毕后会自动置1；必须用软件清0
2. PCON 寄存器：电源控制寄存器
PCON 寄存器中的 SMOD 位，是波特率加倍控制位：
- 当 SMOD 位置 1 时，串口波特率翻倍；
- 当 SMOD0 位清 0 时，串口的工作模式由 SCON 寄存器的 SM0 和 SM1 两位共同指定。
3. 波特率的产生：依赖定时器的初值计算
51 单片机的 UART 波特率，通常由定时器 1 的 8 位自动重装模式产生。波特率的计算公式与定时器初值直接相关，公式如下：SMOD：PCON 寄存器中的波特率加倍位，取值为 0 或 1**；fosc** 是晶振频率；bps：目标波特率。
4、TCON与IE寄存器
十一、主机与从机：谁是通信的 "主导者"
在多设备串口通信系统中，设备分为主机 和从机两种角色：
- 主机：拥有对通信的绝对控制权，通信由主机主动发起。主机可以向从机下发指令、查询数据，主导整个通信流程。
- 从机：不能主动发起通信，只能根据主机的指令完成相应的控制操作，并向主机回复应答数据。
比如在一个 "单片机 + 传感器" 的串口系统中，单片机是主机，传感器是从机：单片机主动发送查询指令，传感器接收到指令后，才会向单片机返回采集到的数据。
十二、Modbus 协议的数据格式：UART 上的 "应用层协议"
UART 只是物理层和数据链路层的通信协议，而 Modbus 是基于 UART 的应用层协议 ，广泛应用于工业控制领域。Modbus 协议有两种常用模式：Modbus RTU 和Modbus ASCII，其中 Modbus RTU 更常用。
Modbus RTU 的数据帧格式如下：地址码（1字节） + 功能码（1字节） + 数据域（N字节） + CRC校验码（2字节）
- 地址码：标识从机地址，主机通过地址码指定通信的从机，只有地址匹配的从机才会响应。
- 功能码：表示要执行的操作，比如 03H 是读取保持寄存器，06H 是写入单个寄存器。
- 数据域：包含具体的操作参数，比如寄存器地址、寄存器数量、写入的数据等。
- CRC 校验码：2 字节的循环冗余校验，比奇偶校验的纠错能力更强，保证数据传输的可靠性。
Modbus 协议的优势在于标准化、通用性强，不同厂家的设备只要支持 Modbus RTU，就能通过 UART 接口互联互通。