【嵌入式原理系列-第八篇】USART从原理到配置全解析
目录
一.通信领域基础知识介绍
1.1 串行和并行通信
1.2 同步和异步传输
1.3 串口和COM口
1.4 通信协议标准以及物理层定义
1.5 物理层协议之TTL / RS-232 / RS-485
二.USART介绍
2.1 USART特点介绍
2.2 UART和TTL / RS-232 / RS-485
2.3 USART硬线流控介绍
2.4 USART帧格式介绍
2.5 USART对比其他总线
三.USART工程配置及使用
3.1 USART数据传输方式配置说明
3.2 USART中断配置配置说明
3.2.1 USART常用中断
3.2.2 USART中断配置实战说明
3.2.3 DMA常用中断
3.2.4 DMA中断配置实战说明
四.USART异步模式同步机制介绍
一.通信领域基础知识介绍
介绍USART之前，我们需要先了解一些通信协议领域的通用知识。
1.1 串行和并行通信
- 串行：串行接口的基本传输单位是1位，即每次只能传输一个bit，通过协议组合成帧进行传输
- 并行：一次性可以传输多个位，理论上每个位需要一条独立线束
1.2 同步和异步传输
Synchronous / Asynchronous 同步/异步，通信层面的异步/同步概念与软件层面不同：
- 软件层面：
- 同步处理：同步调用意味着调用方主动等待并立即获得结果。
- 异步处理：异步调用意味着调用方发起请求后立即返回，结果通过事件、回调或轮询等方式在后续通知。
- 通信层面：
- 同步通信：通信双方使用同一根时钟线来控制通信，理论上有时钟线的情况下双方的节奏是一致的，因此称为同步。
- 异步通信：双方互相不知道对方时钟频率，通过一些设计来规避双方的时钟不一致问题。
1.3 串口和COM口
- 串口（Serial Port）：通用称呼，是一个广义概念，严格来说所以串行通道都可以称之为串口，包括USB。但是在嵌入式MCU领域，一般说起串口都是默认指的USART的异步模式。
- COM：COM代表计算机中的逻辑串口设备名称(如COM1, COM2)，是电脑对串口的抽象。电脑上的COM口一般就是通过USART实现的。
1.4 通信协议标准以及物理层定义
按照目前国际标准，一般将通信协议划分为5层（实际上广泛使用的标准）或者7层（ISO推荐）协议。按照从底层到上层分为：
- 物理层
- 数据链路层
- 传输层
- 网络层
- 会话层
- 表示层
- 应用层
其中物理层定义了以下内容：
| 特性类别 | 定义说明 |
|---|---|
| 过程特性 | 比特在时间轴上的传输方式，如同步/异步、采样点、位时序 |
| 硬件特性 | 接口芯片、收发器、电路驱动能力、端口数量 |
| 机械特性 | 物理连接器、针脚排列、接口规格 |
| 电气特性 | 电压电平范围、电流驱动、抗干扰能力、差分/单端方式 |
| 功能特性 | 通道容量、点对点/多点拓扑、误码率、最大距离 |
1.5 物理层协议之TTL / RS-232 / RS-485
这三者都是物理层定义，规定了通信物理层定义
| 概念 | 简要说明 | 电气特性 |
|---|---|---|
| TTL(Transistor-Transistor Logic) | 原生电平 | 逻辑1：3.3V 或 5V，逻辑0为：0V。 |
| RS232 | 电压转换 | 逻辑1：-3V 到 -15V，逻辑0：+3V 到 +15V。 |
| RS485 | 电压转换+差分电平 | 逻辑 1：B线电压比A线电压高，典型差值 >+200mV。 逻辑 0：A线电压比B线电压高，典型差值 >+200mV。 其共模电压范围通常为 -7V 到 +12V |
二.USART介绍
2.1 USART特点介绍
USART（即Universal Synchronous / Asynchronous Receiver/Transmitter，通用同步/异步收发器），其特性如下：
- 串行通信
- 同步/异步传输：支持同步传输（USART同步模式），以及异步传输（USART异步模式）
- 物理层以及数据链路层协议：只负责数据的转发，不涉及应用逻辑。其物理层定义不完整，因此需要搭配其他物理层协议使用，如TTL、RS-232、RS-485
- 线束数量不固定，可选搭配如下：
- Tx/Rx：数据传输线
- GND：当通信双方不直接公地，一般需要增加GND线作为参考电平以保持通信稳定性
- CTS/RTS：流控线，可选非标准协议定义内容，用于控制通信双方的传输，防止数据溢出或丢失
- CLK：USART可使用同步模式进行通信，此时需要额外的时钟线
注意！！
USART的硬线流控CTS/RTC以及USART的同步传输模式，在实际项目中很少使用，因为这两者都会增加线束的数量、传输协议的复杂度。而USART最大的优点就是协议的简单以及线束数量少（最少只需要两根）。
2.2 UART和TTL / RS-232 / RS-485
USART的物理层定义并不完全，如下：
| 特性类别 | USART 覆盖情况 | 缺失说明 |
|---|---|---|
| 过程特性 | 完整 | 无缺失，USART 定义了起始位、数据位、校验位、停止位，但功能简单 |
| 硬件特性 | 缺失 | USART 本身不定义具体硬件，需依赖 TTL/RS232/RS485 芯片 |
| 机械特性 | 缺失 | USART 不定义连接器规格，实际由外部标准决定 |
| 电气特性 | 缺失 | USART 不规定电平和驱动能力，需要 TTL/RS232/RS485 补充 |
| 功能特性 | 部分缺失 | USART 默认点对点，最大速率/距离未标准化，误码检测只有奇偶校 |
因此实际使用过中必须搭配一个物理层协议使用，常用搭配如下：
| 概念 | 简要说明 | 电气特性 | 与USART的关系 |
|---|---|---|---|
| TTL(Transistor-Transistor Logic) | 原生电平 | 逻辑1：3.3V 或 5V，逻辑0为：0V。 | MCU内部USART外设输出的就是TTL电平。 优点：无需电平转换芯片，硬件成本低 缺点：抗干扰能力和传输距离比RS 232和RS 485差。 |
| RS232 | 电压转换 | 逻辑1：-3V 到 -15V，逻辑0：+3V 到 +15V。 | 用于USART通信时，将原生TTL电平进行了电压转换。 优点：RS 232的电压范围更广，抗干扰更强。 缺点：需要额外的电平转换芯片，增加了硬件成本。 |
| RS485 | 电压转换+差分电平 | 逻辑1：-3V 到 -15V，逻辑0：+3V 到 +15V。 | 用于USART通信时，将原生TTL电平进行了电压转换，并变成了差分电平。 优点：因为使用差分电平，抗干扰能力极强，且传输距离得到大大提升。支持多点通信。 缺点：需要额外的电平转换芯片以及线束，且在车载电子领域和CAN定位重合且竞争 |
注意：
在汽车电子领域，RS-485的生态位主要被CAN占据，其出场率较低。
2.3 USART硬线流控介绍
由于USART协议
CTS（Clear To Send）和RTS（Require To Send），不属于标准USART规定内容。本质上是通过硬线指示来完成流控效果，示意如下：
| 设备1 | 设备2 | 说明 |
|---|---|---|
| RTS(发) | CTS(收) | 当设备2收到设备1的RTS通知（一般是高电平到低电平跳变）时，代表设备1准备好接收数据了，设备2此时可以发送数据 |
| CTS(收) | RTS(发) | 当设备1收到设备2的RTS通知（一般是高电平到低电平跳变）时，代表设备2准备好接收数据了，设备1此时可以发送数据 |
2.4 USART帧格式介绍
| 参数 | 说明 |
|---|---|
| 开始位 | 1 bit，当USART数据传输线不传输数据时，它通常保持在高电压电平。为了开始数据传输，发送方将传输线从高电平拉至低电平一个时钟周期。当接收USART检测到高电压到低电压转换时，它开始以波特率的频率读取数据帧中的位。 |
| 数据位 (Data Bits） | 8bit 或 9bit，定义一帧有效数据，数据位包含要传输的实际数据。在通常情况下，数据首先以最低有效位发送，并且长度使用8位。 |
| 停止位 (Stop Bits) | 1至2bit，为了通知传输数据包的结束，USART发送端会将数据传输线驱动至高电压至少1到2位持续时间。 |
| 校验位 (Parity) | 1bit，可选，保证数据完整性。奇偶校验位是接收USART在传输过程中判断是否有任何数据发生变化的一种方法。电磁辐射、不匹配的波特率或长距离传输时，数据都有可能发生变化。接收USART读取数据帧后，它会计算值为1的位数，并检查总数是偶数还是奇数。如果奇偶校验位为0（偶校验），则数据帧中的1位应总计为偶数。如果奇偶校验位是1（奇校验），则数据帧中的1位应总计为奇数。当奇偶校验位与数据匹配时，USART知道传输没有错误。 |
2.5 USART对比其他总线
| 总线 | 使用场景 | 通信距离 | 线束数量 | 通信方向 | 通信单 元数量 | 同步& 异步 |
|---|---|---|---|---|---|---|
| USART | 微控制和外部设备、模块之间、调试接口 | 建议小于1.5m | Tx+Rx+GND(可选) | 全双工 | 1 对 1 | 异步 |
| SPI（Serial Peripheral Interface） | 主要用于嵌入式系统内主芯片与外围芯片之间的短距离、高速通信 | 建议小于3m | CS：片选线，选择和那个从模块通信； MOSI：主模块给从模块发送数据 MISO：从模块给主模块发送数据 CLK：时钟线 | 全双工 | 1(主)对N(从) | 同步 |
| IIC（Inter-Integrated Circuit） | 适用于连接微控制器和各种外部设备，如温度传感器、EEPROM、实时时钟等，使用两根线进行双向通信。 | 建议小于3m | 数据传输线+CLK | 半双工 | N(多主)对N(多从) | 同步 |
| LIN（Local Interconnect Network） | 主要用于汽车电子系统中的低速通信，如车门控制、座椅控制等。 | 理论可达40m | Tx/Rx(共用一根) + GND(可选) | 半双工 | 1(主)对N(从) | 异步 |
| CAN（Controller Area Network） | 广泛用于汽车、工业控制和其他分布式系统中，具备高可靠性和抗干扰能力，支持多个设备在同一总线上通信。 | 理论可达40m | CAN_H+CAN_L | 半双工 | N对N (不分主从) | 异步 |
注意：
- 传输速率一般来讲：SPI>IIC>USART>CAN>LIN。
- SPI/IIC一般多用于片上通信，USART多用于片上通信及调试接口，CAN/LIN用于车辆间ECU远距离通信。
- USART 更偏向点对点、调试和简单设备通信，其通信距离（短）和稳定性（稍显不足）使得它的竞争对手主要是SPI和IIC。
三.USART工程配置及使用
3.1 USART数据传输方式配置说明
| 属性 | 说明 |
|---|---|
| 波特率 | 波特率配置一般由多个寄存器来对时钟进行分频，已达到更精准的频率控制。比如如下形式： 波特率 = 所选定外设时钟频率 / (波特率整数部分 + (波特率小数分子部分) / 波特率小数分母部分) 具体配置形式不固定，只需要记住可能存在多个参数配置来控制精度就行，本质上都是外设时钟 / 预分频值。 |
| 停止位 | 需要指定停止位的长度，可选范围是1bit / 1.5bit / 2bit，部分芯片可能不支持1.5bit模式 |
| 数据位定义 | 需要定义数据位是8位还是9位，如果是9位还需要指定第9位的含义。不同芯片对于第9位的支持情况不一样，这里按照最大组合情况介绍
|
| 传输次序(接收/发送) | 选择大小端模式，即接收/发送时是高Bit位(MSB)还是低Bit位(LSB) |
| 传输模式 | 选择同步还是异步传输。
|
| 时钟极性 | 选择数据在时钟上升沿还是下降沿同步（全双工异步模式不需要此配置）。 |
| 传输方向 | 选择传输方向，可以配置仅收或者仅发 |
| USART通道 | 一般外设提供不止一组USART硬件通道，需要选择使用哪一个硬件通道 |
| 时钟源选择 | 选择USART的时钟源，为USART通信提供时钟参考基准，以满足波特率要求 |
| 传输类型 |
|
| 硬件流控 | 是否支持硬件流控，可以配置只支持CTS或者RTS，即单向流控 |
| 硬件FIFO模式 | 是否启用硬件FIFO，并配置深度 |
3.2 USART中断配置配置说明
3.2.1 USART常用中断
| 信号 | 意义 | 触发条件 | 说明 |
|---|---|---|---|
| RXNE/RDR | 接收到新数据 | RX 寄存器中有未读取字节 | CPU读取数据寄存器，防止覆盖。DMA场景不需要。 |
| TXE | 发送数据寄存器空 | TX 寄存器空，可以写入新的待发送数据（前面数据不一定发送完成） | CPU 写入下一个字节，DMA场景不需要 |
| TC/TFE | 发送完成 | 前面一帧数据发送完成 | 标记发送结束，释放缓冲区 |
| IDLE | 总线空闲 | 接收线空闲一段时间（通常是一帧位时间） | 标记帧结束或数据终止 |
| ORE | 接收溢出 | RX 寄存器未及时读取 | 错误处理 |
| NE | 噪声错误 | 总线噪声导致接收错误 | 错误处理 |
| FE | 帧错误 | 停止位或字节长度错误 | 错误处理 |
| PE | 奇偶校验错误 | 奇偶位不匹配 | 错误处理 |
3.2.2 USART中断配置实战说明
| 传输类型 | TXE | TC | IDLE | RXNE |
|---|---|---|---|---|
| RS-485半双工 + DMA | 不使用，DMA直接判断数据 | 必须使用，用于通知CPU判断是否要切换传输方向 | 必须使用 | 一般不需要，方向切换一般靠TC进行。 |
| RS-485半双工 + 非DMA | 推荐使用，通知CPU填充发送数据（理论上TXE会比TC触发早，会更快一些）。 | 必须使用，用于通知CPU判断是否要切换传输方向 | 必须使用 | 推荐使用，用于判断是否需要切换方向 |
| 普通传输 + DMA | 不使用，DMA直接判断数据 | 必须使用，TC在此模式下不再是字节级别通知，而是传输单位的通知。这个"传输单元"取决于字长、传输计数、循环/块模式、DMA FIFO配置。 | 必须使用 | 一般不需要，数据搬运由DMA进行 |
| 普通传输+ 非DMA | 推荐使用，通知CPU填充发送数据（理论上TXE会比TC触发早，会更快一些）。 | 不使用，使用TXE发送数据更快 | 必须使用 | 必须使用，因为没有DMA，需要CPU自行处理数据 |
3.2.3 DMA常用中断
| 中断名称 | 触发条件 | 典型用途 |
|---|---|---|
| Transfer Complete | DMA 完成搬运 | CPU 处理已搬运完成数据或继续下一块搬运 |
| Half Transfer | DMA 完成缓冲区一半 | CPU 提前处理一半数据，保持 RX 连续或平滑 TX 输出 |
| Transfer Error | DMA 地址错误、FIFO 溢出、配置错误 | 错误处理 |
3.2.4 DMA中断配置实战说明
- USART错误类型中断依实际项目情况选择是否使能：ORE、NE、FE、PE
- 推荐基于DMA传输：对于高速或大数据量传输，强烈推荐使用DMA以减轻CPU负担（当不使用DMA时，MCU只有1~2个停止位的反应时间）并降低数据丢失风险。对于低速简单应用，可根据情况选择中断或轮询方式。
- USART中断配置建议：
- USART发送端：
- DMA传输完成中断
- 半传输中断（可选，用于连续大数据流平滑发送）
- USART接收端：
- 理论最优（实现复杂，设计不过关容易出问题，比如中断嵌套）：
- 半传输中断（防止数据溢出，给CPU预留处理时间）
- 传输完成中断（通知CPU全部处理完成）
- USART IDLE中断（用于检测帧结束或总线空闲，防止数据量不够触发半传输中断）。
- 项目中常用（实现简单，绝大部分场景够用）：
- 仅仅使用IDLE中断，不使用DMA全传输和半传输中断。
- 理论最优（实现复杂，设计不过关容易出问题，比如中断嵌套）：
- USART发送端：
DMA详细介绍点此：【嵌入式原理系列-第七篇】DMA：从原理到配置全解析
四.USART异步模式同步机制介绍
在异步模式下，USART总线空闲时默认高电平。
发送方准备发送数据时（假设数据位为8位，不无奇偶校验位），会将总线电平拉低一个位时间，称为起始位，起始位之后开始进行数据位的传输，传输位传输完成后，最后再将总线拉高一个位时间称之为结束位。
每次起始位接收方会进行一次位同步，保证双方时序一致。通常USART异步模式下，采样点位于位中间，即0.5个bit处。
结合以上逻辑，可知异步模式下双发双方的速率可以有差距，但是必须保证速率差距在一定范围内。范围计算如下：
- 如果发送方速率大于接收方速率：1 <= （发送方速率÷接收方速率）<= (11÷10.5)。即发送方速率不能比接收方快4.76%以上
- 如果发送方速率大于接收方速率：(10÷10.5) <= （发送方速率÷接收方速率）<= 1。即发送方速率不能比接收方慢4.76%以上
总结，8位数据位+1位停止位+无校验位情况下，双方速率差应该小于4.76%。其他帧格式组合算法类似。
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