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UART 是一种用于串行通信的协议，它允许数据通过一条线路（或两条线路：一条用于发送，另一条用于接收）在计算机或其他设备之间传输。它广泛应用于设备之间的通信，如嵌入式系统、传感器、计算机串口、调试端口等。

在 UART 协议中，数据是 串行 传输的，意味着数据不是同时传输的，而是一个比特一个比特地传输。我们通常会设置每个数据帧的格式来确保正确的传输和接收，这就涉及到 开始位、数据位、校验位和结束位。

UART 数据帧结构

一个典型的 UART 数据帧的组成如下：

| 开始位 | 数据位 | 校验位 | 结束位 |

1. 开始位（Start Bit）

• 功能：开始位用来通知接收设备，数据帧即将开始传输。

• 原理：在串行通信中，数据传输是按比特（bit）顺序发送的。为了确保接收设备知道数据从哪里开始，发送方会在数据帧的最前面发送一个特殊的信号，称为 开始位。

• 特点：

  • 开始位通常为 低电平（0），表示数据传输的开始。

  • 数据帧的开始位的作用就是从 高电平（无数据）切换到 低电平，表示数据传输的开始。

  • 由于 UART 是 异步通信，开始位帮助接收方对齐数据帧。

2. 数据位（Data Bits）

• 功能：数据位是传输的实际数据。它包含了我们想要传送的信息。

• 原理：数据位是传输的核心内容，每个数据位表示一个二进制数字（0 或 1）。通常，数据位的长度为 5 位、6 位、7 位或 8 位（8 位是最常见的）。

• 特点：

  • 数据位的数量由通信协议或设置决定，常见的是 8 位数据位（即一个字节）。

  • 每个数据位在传输时会按照顺序一个一个地传送给接收方。发送方会逐个发送数据位，从低位到高位。

  例如：假设你要发送的数据是 字母 "A"（ASCII值为 65），它的二进制表示为 01000001。如果使用 8 位数据位来传输，它就分成 8 个数据位来发送。

3. 校验位（Parity Bit）

• 功能：校验位是为了保证数据在传输过程中的 完整性。它的作用是检测传输中是否发生了错误。

• 原理：

  • 校验位的设置有几种不同的模式，通常是 偶校验、奇校验或 无校验。

  • 校验位是通过对数据位的“奇偶性”进行设置来完成的。它帮助接收方检查是否有位被错误地传输。

  几种常见的校验位设置：

  • 无校验（None）：不使用校验位，纯粹传输数据。

  • 偶校验（Even Parity）：使数据中 1 的数量变为 偶数，如果原数据中 1 的数量是奇数，就设置校验位为 1；如果是偶数，则校验位为 0。

  • 奇校验（Odd Parity）：使数据中 1 的数量变为 奇数，如果原数据中 1 的数量是偶数，就设置校验位为 1；如果是奇数，则校验位为 0。

  例如：如果发送的数据是 01010100，在偶校验模式下，校验位会检查该数据中 1 的数量（4个），是偶数，因此校验位为 0。如果 1 的数量是奇数，校验位会设为 1。

4. 结束位（Stop Bit）

• 功能：结束位用来标识数据传输的结束，告知接收设备数据帧已经完成，可以开始处理数据。

• 原理：结束位帮助接收方识别每一帧数据的结束，并准备接收下一帧数据。它通常是一个 高电平（1） 信号，表示传输完成。

• 特点：

  • 结束位的数量可以是 1 位、1.5 位 或 2 位，其中 1 位结束位 是最常见的。

  • 结束位通常设为 高电平（1），如果在数据传输后没有正确的结束位，接收方可能会误认为数据还在传输中。

总结：UART 数据帧组成

一个完整的 UART 数据帧通常是这样的：

| Start Bit | Data Bits | Parity Bit (optional) | Stop Bit(s) |

• 开始位：标志着数据的开始，通常为 0（低电平）。

• 数据位：实际的数据内容，通常为 8 位（即 1 字节）。

• 校验位：用于检测数据传输是否发生错误，可以选择有或没有。

• 结束位：标志着数据的结束，通常为 1（高电平）。

波特率

计算步骤

1. 确定每个数据包的位数（Bit per Character）：

   • 开始位：1 位

   • 数据位：通常是 8 位

   • 停止位：通常是 1 位

   • 校验位：如果使用校验位，通常是 1 位（如果没有校验位，则为 0 位）

   因此，每个数据包（字符）所需的总位数可以用以下公式表示：

   每字符位数=开始位+数据位+停止位+校验位\text{每字符位数} = \text{开始位} + \text{数据位} + \text{停止位} + \text{校验位}每字符位数=开始位+数据位+停止位+校验位

2. 计算每秒钟能传输的字节数：

   每秒字节数=波特率每字符位数\text{每秒字节数} = \frac{\text{波特率}}{\text{每字符位数}}每秒字节数=每字符位数波特率​

   其中，波特率是每秒钟传输的比特数（bps），每字符位数是每个字符所需要的总位数。

举个例子

假设你使用 115200 波特率 和 8N1 配置（8 数据位，1 开始位，1 停止位，无校验位）：

1. 每字符位数：

   • 开始位：1 位

   • 数据位：8 位

   • 停止位：1 位

   • 校验位：0 位（无校验位）

   每字符位数 = 1 + 8 + 1 + 0 = 10 位

2. 每秒钟传输的字节数：

   每秒字节数=11520010=11520 字节/秒\text{每秒字节数} = \frac{115200}{10} = 11520 \, \text{字节/秒}每秒字节数=10115200​=11520字节/秒

所以，在 115200 波特率 的情况下，每秒钟能够传输 11520 字节。