UART

UART（Universal Asynchronous Receiver/Transmitter，即通用异步收发器）是一种常见的异步串行通信接口，通常简称为串口。它广泛应用于单片机、计算机以及各种通信模块之间，适合短距离、低速率的点对点数据传输。在调试和终端通信中，UART 是最简单直接的选择。它既可以实现全双工，也能配置为半双工，不需要额外的时钟信号来同步，只要通信双方事先约定好一致的波特率即可正常工作。

1. 物理结构

UART 的基本硬件连接非常简洁，通常只需三根线：发送端的 TX 连接到接收端的 RX，再加上公共地线 GND，就能完成数据的双向传输。在 TTL 电平下，逻辑 0 表示为低电平，逻辑 1 表示为高电平。由于是点对点方式，所以电路简单，但通信距离有限，一般在几十厘米到几米范围内较为稳定。

┌─────┐      TX → RX      ┌─────┐
│ MCU │ ----------------> │ 模块 │
│     │ <---------------- │     │
└─────┘      RX ← TX      └─────┘
             GND ———— GND

2. 帧格式

UART 通信以“帧”为单位传输数据。一帧由起始位、数据位、校验位和停止位组成。

空闲线(高电平) ──────┐
                      ↓ 起始位
        ┌──┬──┬──┬──┬──┬──┬──┬──┬──┐──┐──┐
        │St│D0│D1│D2│D3│D4│D5│D6│D7│Pa│Sp│
        └──┴──┴──┴──┴──┴──┴──┴──┴──┘──┘──┘
           1  数据位(8位)    校验位   停止位

• St：起始位（低电平，1 位）
• D0~D7：数据位，最低位先传输
• Pa：校验位，可选
• Sp：停止位（高电平，1 或 2 位）

3. 原理

UART 的核心原理在于“异步”。与 SPI、I²C 不同，UART 没有时钟线，接收端必须依靠波特率在时间上对信号进行抽样。发送方将数据逐位送出，接收方通过检测起始位获得同步点，然后按预设速率逐位采样，最终重组数据帧。只要通信双方的波特率误差足够小（通常要求小于 ±3%），数据就能被正确接收。这样就避免了额外时钟同步的开销，降低了硬件复杂度。

4. 硬件协议

UART 在物理层的实现不仅有 TTL 电平，还衍生出一系列标准：

• TTL UART：常见于单片机，电平通常为 3.3V 或 5V。
• RS-232：计算机串口常用，逻辑取反，电平范围为 ±3V 到 ±15V，传输距离比 TTL 更远。
• RS-485：采用差分信号，抗干扰强，传输距离可达 1200 米，支持多机总线通信。
• RS-422：与 RS-485 类似，但多用于点对点全双工通信。

5. 参数

UART 的主要参数由波特率、数据位、校验位和停止位组成，不同场景下可灵活组合。

例如常见的 8N1 表示：8 个数据位（N 表示无校验），1 个停止位。