目录

1 什么是UART

2 UART的电平

3 UART的波特率

4 UART帧格式

4.1 start bit起始位

4.2 data bit数据位

4.3 parity bit奇偶校验位

4.4 stop bit停止位

5 什么是8-N-1

6 UART总线负载率计算

结尾

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1 什么是UART

UART：universal asynchronous receiver-transmitter通用异步接发器是一种用于asynchronous serial communication异步串行通信的硬件设备/器件，该总线（BUS）有两条数据线（TX和RX），可以实现全双工的发送和接收。在嵌入式系统中，UART常用于MCU（主机）与外设芯片（从机）之间的通信。

UART通常是一个单独的IC（integrated circuit集成电路），通常一个或多个UART被集成在微控制器MCU芯片中。

注意：

关于异步，同步，并行，串行，单工，半双工，全双工的介绍，详见博文“

什么是异步，同步，并行，串行，单工，半双工，全双工通信https://blog.csdn.net/qfmzhu/article/details/130332705”。

2 UART的电平

UART的电平通常使用逻辑电平TTL（Transistor-Transistor Logic）。该电平的来源MCU或外设芯片的供电。如果MCU或外设芯片的供电是5V，则5V等价于逻辑1，0V等价于逻辑0；如果MCU或外设芯片的供电是3.3V，则3.3V等价于逻辑1，0V等价于逻辑0。

图2-1 UART的TTL电平

注意：

如果MCU和外设芯片的供电不一样（一个5V，另一个3.3V），需要在二者之间加一个电平转换芯片，来满足通信。

图2-2 示波器下，一个UART帧波形，逻辑电平为3.3V（无parity bit，data bit长度为8，data bit = 0x09）

3 UART的波特率

波特率概念，我们在博文中“【图解CAN总线】-3-详述波特率(Raud Rate)和比特率(Bit Rate)二者的差异https://blog.csdn.net/qfmzhu/article/details/122805699”提到过。

波特率(Raud Rate)的定义：指单位时间内传输的码元数，单位：波特，b/s（Baud per second）

在通信领域中，常用时间间隔相同的符号来表示一个二进制数字，这样的时间间隔内的信号称为码元。而一个信号需要的间隔被称为码元长度。

每个码元需要通过几个比特(Bit)来表示，所以传输一个码元等于传输了几个比特(Bit)。例如，若使用0、1、2、3、4、5、6、7共8个状态值，则需要3个比特来表示一个信号值，所以一个码元不一定对应一个比特。

由于在UART通信中，一个码元表示0和1两个状态，需要一个Bit表示，既一个码元等于1 Bit。

在一个UART通信网络中，会约定好使用的波特率，来确保在同一时段，能够精准/相同分割逻辑1和逻辑0，到了一个连续0和1序列位。而一个UART Frame则由多个0和1序列位组成。

UART常用的波特率有9600bps，既一个Bit Time：1s / 9600 = 104微秒。

图3-1 示波器下，一个波特率为9600bps的UART帧波形，一个起始位的Bit Time为104微秒

4 UART帧格式

图4-1 UART帧格式

一个Uart Frame帧由以下几个部分组成：

• 1位start bit起始位：表示一次通信的开始，用于同步，给到接收器时钟同步，准备开始接收数据；
• 8位data bit数据位；表示通过UART串口发送的数据/信息；
• 1位parity bit奇偶校验位(可选，even偶数或odd奇数)；校验发送数据的正确性
• 1/1.5/2位stop bit停止位：表示一次通信的结束。

注意：

• 这里一次通信，可以理解为发送一个字节。如果要连续发送多个字节，重复该过程即可；
• 波特率，是否使用parity bit，以及data bit和stop bit的长度，需要事先约定好。
• data bit先发LSB，再发MSB，如图2-2中，data bit = 0x09。

4.1 start bit起始位

起始位向接收方发出信号，表示一个新的数据即将到来。

4.2 data bit数据位

起始位后，接下来的五到九位，取决于所采用的代码集。既该UART帧携带的数据/信息。

注意对比图2-2和图4-2：少了一个高位。

图4-2 示波器下，data bit长度为7bit的UART波形（无parity bit，data bit = 0x09）

4.3 parity bit奇偶校验位

UART中的校验位（Parity Bit）是一种用于检测和纠正传输错误的简单错误检测和校正方法。校验位是在UART通信中的数据位之后添加的一位，用于检测数据传输过程中的错误。

Parity Bit校验位可以有三种不同的类型：

奇校验（Odd Parity）：如果数据位中的1的个数为奇数，校验位就被设置为0；如果数据位中的1的个数为偶数，校验位就被设置为1，见图4-3和图4-4；

偶校验（Even Parity）：如果数据位中的1的个数为偶数，校验位就被设置为0；如果数据位中的1的个数为奇数，校验位就被设置为1，见图4-5和图4-6；

无校验（No Parity）：表示不使用校验位。

图4-3 示波器下，data bit数据=0x09的UART波形（奇校验）

图4-4 示波器下，data bit数据=0x0B的UART波形（奇校验）

图4-5 示波器下，data bit数据=0x09的UART波形（偶校验）

图4-6 示波器下，data bit数据=0x0B的UART波形（偶校验）

4.4 stop bit停止位

接下来的1个或2个位总是处于逻辑1状态，称为停止位（s）。它们向接收方发出信号，表示字节已经发送完成。由于起始位是逻辑低电平0，停止位是逻辑高电平1，所以在字节之间总是至少有两个保证信号变化。

图4-7和图4-8分别连续发了两个数据（0x09和0x0B），stop bit长度分别为1bit和2bit

图4-7 示波器下，stop bit长度为1bit的UART波形（无parity bit）

图4-8 示波器下，stop bit长度为2bit的UART波形（无parity bit）

5 什么是8-N-1

8-N-1是Asynchronous mode异步模式下，serial port串行端口参数设置或配置的常用速记符号，其表示：1个start bit起始位、8个data bit数据位、无parity bit奇偶校验位和1个stop bit停止位。

该缩写通常与通信链路速度一起给出，单位为bps(bits per second，其是波特率Baud单位)，如9600-8-N-1。该速度描述了通信链路的最大带宽：其用于成Frame帧的Bit总数需要低于bit transmission rate比特传输率。对于8-N-1编码，一Frame帧只有80%的Bit可用于数据（对于每8个bit的数据，在串行链路上发送10个bit：1个起始位、8个数据位和1个停止位）。

6 UART总线负载率计算

因为UART是全双工通信，分别有一个TX链路和RX链路，所以需要分开考虑各通信链路的负载率。

假设UART串口参数设置为9600-8-N-1，既一个UART帧为10Bit。此时你可以通过统计1秒内，串口工具或者嵌入式软件接收到的UART帧数n(这里也可以理解为接收到字节数)，来计算负载率：((n * 10) / 9600) * 100%

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