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UART（Universal Asynchronous Receiver/Transmitter，通用異步收發(fā)傳輸器）是一種異步串行通信協(xié)議，核心作用是實現(xiàn)設(shè)備間的低成本、近距離數(shù)據(jù)傳輸，廣泛用于嵌入式系統(tǒng)、工業(yè)控制等場景。

它的核心特點是 “異步”—— 無需時鐘信號同步，僅通過兩根數(shù)據(jù)線（TX 發(fā)送、RX 接收）即可完成雙向通信，硬件結(jié)構(gòu)和協(xié)議邏輯都相對簡單。

一、UART 核心工作原理

數(shù)據(jù)幀結(jié)構(gòu)（協(xié)議核心）UART 數(shù)據(jù)以 “幀” 為單位傳輸，每幀包含固定格式的信號，確保接收方準(zhǔn)確解析，標(biāo)準(zhǔn)幀結(jié)構(gòu)如下（從左到右）：

起始位：1 位低電平，標(biāo)志數(shù)據(jù)幀開始（打破空閑時的高電平狀態(tài)，觸發(fā)接收方準(zhǔn)備）。

數(shù)據(jù)位：5-9 位（最常用 8 位），實際傳輸?shù)亩�進(jìn)制數(shù)據(jù)（如 ASCII 碼，8 位可覆蓋 0-255 所有字符）。

校驗位（可選）：1 位，用于校驗數(shù)據(jù)是否傳輸錯誤，支持兩種模式：

奇校驗：數(shù)據(jù)位 + 校驗位中 “1” 的總數(shù)為奇數(shù)；

偶校驗：數(shù)據(jù)位 + 校驗位中 “1” 的總數(shù)為偶數(shù)；

無校驗：省略校驗位（適合傳輸可靠性要求不高的場景，如普通指令）。

停止位：1-2 位高電平，標(biāo)志數(shù)據(jù)幀結(jié)束（接收方通過高電平判斷一幀數(shù)據(jù)完成）。

波特率（通信速率）收發(fā)雙方必須約定相同的 “波特率”（單位：bps，比特 / 秒），即每秒傳輸?shù)亩�進(jìn)制位數(shù)（含起始位、校驗位、停止位），常見波特率有：9600、19200、38400、115200 bps（115200 為嵌入式開發(fā)常用速率）。

二、UART 硬件連接方式

UART 是 “點對點” 通信（不支持多設(shè)備共享總線），核心需 3 根線（全雙工，即收發(fā)可同時進(jìn)行）：

三、UART 典型應(yīng)用場景

嵌入式開發(fā)：單片機(jī)（如 STM32、51 單片機(jī)）與電腦之間的 “串口調(diào)試”（通過 USB 轉(zhuǎn) UART 模塊，輸出日志、發(fā)送指令）。

工業(yè)控制：傳感器（如溫濕度傳感器、GPS 模塊）向控制器（如 PLC）傳輸數(shù)據(jù)（速率要求低，對可靠性要求中等）。

外設(shè)通信D：打印機(jī)、調(diào)制解調(diào)器（Modem）、藍(lán)牙模塊（經(jīng)典藍(lán)牙的串口透傳模式）與主機(jī)的低速數(shù)據(jù)交互。

消費電子：智能家居設(shè)備（如掃地機(jī)器人、智能插座）的本地調(diào)試或簡單指令傳輸。

四：嵌入式虛擬仿真平臺中的uart控制器

仿真系統(tǒng)中，UART控制器原理結(jié)構(gòu)圖如下：

基礎(chǔ)串口數(shù)據(jù)收發(fā):

1. 使能時鐘

2. 配置串口通信協(xié)議

在協(xié)議配置中設(shè)置波特率為“115200”、數(shù)據(jù)位“8位”、奇偶校驗“None”、停止位“1位”，并且不啟用硬流控。

3. 串口控制

  在串口控制中需要依次將“使能UART時鐘”、“USART使能（UE）”、“使能發(fā)送器（TE）”、“使能接收器（RE）”勾選上，串口模式選擇“Asynchronous”。

4. 點擊左邊寄存器映射下的“運行”按鈕，開始仿真

在虛擬仿真系統(tǒng)中，模擬了一個虛擬透傳串口，數(shù)據(jù)流向的基本過程為，UART控制器給虛擬透傳串口發(fā)送數(shù)據(jù)，然后透傳串口將接收到的數(shù)據(jù)，再發(fā)送給UART控制器，所以UART會接收到同樣的數(shù)據(jù)。點擊“寫入”，將內(nèi)存中的數(shù)據(jù)寫入到發(fā)送數(shù)據(jù)寄存器(TDR)中，當(dāng)數(shù)據(jù)從內(nèi)存寫入到發(fā)送數(shù)據(jù)寄存器(TDR)之后，TDR中的數(shù)據(jù)會自動并行傳輸?shù)桨l(fā)送位移寄存器中，然后數(shù)據(jù)會通過發(fā)送位移寄存器，按照LSB的方式將數(shù)據(jù)一位一位的從Tx引腳移出

如仿真系統(tǒng)中的動畫所示：發(fā)送位移寄存器，按照LSB的方式將數(shù)據(jù)一位一位的從Tx引腳發(fā)出。

可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)內(nèi)存數(shù)據(jù)被寫入到發(fā)送數(shù)據(jù)寄存器(TDR)后，USART_SR寄存器中的TXE位被控制器清0，串口狀態(tài)欄下的TXE位變成N，說明發(fā)送數(shù)據(jù)寄存器不為空，有待發(fā)送的數(shù)據(jù)

實際應(yīng)用中，TXE位即可作為數(shù)據(jù)寫到TDR寄存器時機(jī)標(biāo)志位，當(dāng)TXE被控制器置1時，則表明可以往TDR寄存器中寫入下一次需要發(fā)送的數(shù)據(jù)。