STM32HAL 快速入门（十六）：UART 协议 —— 异步串行通信的底层逻辑
大家好，这里是 Hello_Embed。在前几篇中，我们通过环形缓冲区解决了按键数据丢失问题，而在嵌入式系统中，设备间的数据交互（如单片机与电脑、传感器的通信）同样至关重要。UART（通用异步收发传输器）是最常用的串行通信协议之一，广泛应用于调试、数据传输等场景。本篇将从 “同步与异步传输的区别” 入手，详解 UART 协议的工作原理、数据格式及关键概念，为下一篇 “UART 硬件结构与编程” 打基础。
一、数据传输的两种基本方式
在讲解 UART 之前，我们先明确 “同步传输” 与 “异步传输” 的核心区别 —— 这是理解 UART（异步协议）的基础。
1. 同步传输
- 特点：同时发送两种信号 ——时钟信号（用于同步）和数据信号（实际传输的数据）。
- 原理：发送方通过时钟信号的上升沿 / 下降沿通知接收方 “即将传输数据”，双方严格按照时钟节拍同步收发。
- 类比：就像和朋友约定 “每天下午 3 点准时视频”，到点后直接开始交流，无需额外确认 “是否准备好”。
2. 异步传输
- 特点：仅发送数据信号，通过信号本身的 “起始标识” 和 “时长约定” 实现同步。
- 原理：数据信号中包含起始位（标记传输开始）、数据位（实际数据）和停止位（标记传输结束），收发双方需提前约定信号时长（如波特率）。
- 类比：就像打电话 —— 先拨号码（起始标识），对方接起后开始说话（数据），说完挂电话（停止标识），双方无需提前约定 “几点开始”，但需听懂同一种语言（约定规则）。
- 实例：红外遥控器协议 —— 接收端检测到 “9ms 低电平 + 4.5ms 高电平” 时，判定为传输开始；逻辑 1 定义为 “0.56ms 低电平 + 1.69ms 高电平”，逻辑 0 定义为 “0.56ms 低电平 + 0.56ms 高电平”。
| 对比项 | 同步传输 | 异步传输 |
|---|---|---|
| 信号线 | 需时钟线 + 数据线 | 仅需数据线 |
| 速率 | 由时钟信号频率决定（可动态调整） | 收发双方需提前约定（固定波特率） |
| 抗干扰能力 | 强（时钟同步可修正偏差） | 弱（依赖信号时长，偏差易导致错误） |
| 适用场景 | 高速、短距离（如 SPI、IIC） | 中低速、长距离（如 UART、红外） |
二、UART 协议：异步串行通信的典型实现
UART（Universal Asynchronous Receiver/Transmitter）是异步传输的典型应用，通过单条数据线实现双向通信，其核心是 “约定数据格式和传输速率”，示意图如下：
1. 通信方式：全双工
UART 支持全双工通信，即发送数据（TX）和接收数据（RX）可同时进行，互不干扰。三种通信方式的对比如下：
要使用串口传输数据，则需要明白其底层工作逻辑，我们以下图为例：
| 通信方式 | 核心特点 | 数据流向 | 典型场景 |
|---|---|---|---|
| 全双工 | 同时收发，无冲突 | 双向并行（TX/RX 独立） | 电话通话、视频会议、以太网通信 |
| 半双工 | 可双向传输，但同一时间只能单向 | 双向交替（共用一根线） | 对讲机、RS485 半双工模式（共用一根线） |
| 单工 | 只能单向传输（固定发送或接收） | 单向固定 | 广播、红外遥控器（仅发送）、打印机（仅接收） |
2. 波特率：传输速率的度量
波特率（Baud Rate）是 UART 的核心参数，定义为 “每秒传输的信号状态数（波特）”。在多数场景中，1 个状态对应 1 位数据，因此波特率等价于 “每秒传输的比特数（bit/s）”。
- 例：波特率 115200 表示 “每秒传输 115200 位数据”，传输 1 位数据的时间为
1/115200 ≈ 8.68μs。
3. 数据传输格式：从起始到停止
UART 传输 1 字节（8 位）数据的完整格式如下（以传输字符‘A’为例）：
- 起始位：1 位，低电平（默认状态为高电平，拉低表示传输开始）；
- 数据位：8 位，传输实际数据（‘A’的 ASCII 码为 0x41，二进制
01000001）； - 校验位（可选）：1 位，用于简单错误检测（奇校验 / 偶校验）；
- 停止位：1 位、1.5 位或 2 位，高电平（表示传输结束，给接收方缓冲时间）。
- 传输 1 字节的总位数：1（起始）+8（数据）+1（停止）=10 位（无校验位时），总耗时
10/115200 ≈ 86.8μs。
4. 接收方的采样与同步
接收方如何准确识别每一位数据？以波特率 115200 为例：
- 检测到 “起始位”（低电平）后，等待 1.5 个比特时间（
1.5×8.68μs ≈ 13μs），此时处于第 1 位数据的中间位置（采样最稳定）； - 此后每间隔 1 个比特时间采样一次，依次获取 8 位数据；
- 最后检测到 “停止位”（高电平），完成一次传输。
5. 容错机制：抗干扰的采样策略
为应对信号抖动，UART 接收端采用 “多次采样” 策略（以 16 次采样为例）：
- 起始位校验：需满足 3 个条件 —— 前 2 次采样为低电平、中间 3 次（8/9/10）为低电平、最后 2 次为低电平，才认定为有效起始位；
- 数据位校验：中间 3 次采样（8/9/10）中，若 2 次为 0 则判定为 0，2 次为 1 则判定为 1。
6. 校验位：简单的错误检测
校验位用于检测数据传输中的偶然错误，分为奇校验和偶校验：
- 奇校验：数据位中 “1” 的个数为奇数（包括校验位）；
- 偶校验：数据位中 “1” 的个数为偶数（包括校验位）。
- 例：传输‘A’（二进制
01000001，含 2 个 1）：- 奇校验：校验位需为 1（总个数 3，奇数）；
- 偶校验：校验位需为 0（总个数 2，偶数）。
三、波特率与比特率的区别
- 波特率：每秒传输的 “信号状态数”（波形变化次数）；
- 比特率：每秒传输的 “有效数据位数”（bit/s）。
多数情况下，1 个信号状态对应 1 位数据，因此波特率 = 比特率（如 UART）。
特殊场景：若 1 个信号状态表示 2 位数据（如 00.7V=00，0.81.5V=01），则比特率 = 波特率 ×2（例：2ms 传输 2 个状态，对应 4 位数据，波特率 = 500 波特，比特率 = 1000bit/s）。
结尾
UART 协议通过 “异步传输 + 约定格式” 实现了简单可靠的串行通信，其核心是波特率同步和数据帧格式。下一篇我们将聚焦 STM32 的 UART 硬件结构，学习如何通过 CubeMX 配置 UART，并结合环形缓冲区实现高效的串口数据收发。
Hello_Embed 继续带你从协议原理到硬件实战，掌握嵌入式通信的核心技能，敬请期待～