STM32 UART通信深入探讨

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在单片机开发过程中，我们常用的通信协议主要有UART，SPI，I2C这几种，是吧。这三种通信协议，本质上都是串口通信，也就是说在一个时钟周期中，只发送一个数据位。顾名思义，如果在一个时钟周期里面发送多个数据，是不是就是并行通信了，并行通信，自然需要更多的数据线，进而会占据更多的资源。不过并行通信的好处也是显而易见的，也就是说单位时间内（或者说一个时钟周期内）可以传递更多的数据，比如在大屏显示这种通信类型的时候，一般就需要使用并行传输协议。没办法呀，数据量太大，不得不如此。但是在相对低速的通信场景中，串口通信能够满足绝大多数的需求，所以在单片机的外设资源中，串口通信占据了不少份额。 2 E: Z) P: w4 Z! i 我们首先来分析一下串口通信的原理。串口通信的接收过程，大概就是上图中描述的样子。这个图中我们只是使用三个数据来示意表达。DSR发送过来的“010”这三个数被移位寄存器移位以后，通过“D1，D2，D3”并行输出。实际上一般这里是8个D触发器，实现8个串行数据的并出效果，单片机的最小存储单元一般是8个bits么。发送端实现的一般是“并入串出”，只是方向反过来了，原理和上面的一样的。上图中N管和P管组成的电路是为了上电的时候，对D触发器的数据进行复位，这个地方大家不必太在意。 4 ~& n+ v! h# d( ~ 在UART、SPI和I2C这三种最为常用的串口通信中，以UART的实现最为简单，通信的双方不需要严格的时钟配合，只需要设定好波特率就可以了。所谓不需要严格的时钟同步，也就是说通信的双方可以使用各自的时钟，通信双方的时钟频率不一定相等，我们在使用UART进行数据通信的时候，每次发送的数据最长是8个bits，可以比这个短，但是不能再比这个长了。如下图所示，数据位可以是8/7/6三类。那究竟是为什么呢？一次发送多个数据不行么？ 异步通信可以允许通信的双方具有一定的时钟误差，时钟误差越大，每次能够发送的数据位数就越短；时钟误差越小，每次能够发送的数据长度也就越长。为什么是这样呢？假定对于主机，一个bit对应的脉冲数正好是10个，对于从机一个bit对应的脉冲数是10.2个。那么随着bit数的增多，比如达到5个bit的时候，从机就会出现有51个脉冲数，那多出来的一个脉冲数该怎么对应呢？电路设计上该怎么设计呢？换句话说，就会出现数据错位。从这个例子来看，只要从机和主机时间频率上有误差，随着单次数据传递量的增长，那么一定会有数据错位出现。这个也就是UART进行数据传输的时候，一次只传输一个byte，主要的目的就是为了防止出现数据错乱的情况发生。 我们下面用图形化的方式来说明一下这个问题。        如上图所示，PWM1和PWM2是两个不同的时钟信号，大家可以看一下这两个时钟的周期明显是不一样的。我们让这两个时钟都同时从A时刻起步，大家可以看一下，到达B时刻的时候PWM1和PWM2已经反相了，到达C时刻的时候PWM1和PWM2又变成同相了。大家可以看一下，到达C时刻的时候，PWM2的周期数已经比PWM1多了一个了，那么多出来的这个时钟周期就会出现无法和数据位匹配的情况。反过来对于数据来说，也就是会出现数据错乱的现象。        但是SPI和UART通信的双方有一条时钟线相连，通过这条时钟线他们实现了严格的时序匹配。因为双方时序完全一致，那么在数据采样、移位以及存储的时候，就不可能出现数据错乱的情况。某种意义上时钟有多快，数据传输的速度就会有多快。当然实际应用中，SPI和I2C数据传输的速度，还受到通信接口本身器件特性（结电容）、CPU处理数据的速度、存储器存储数据的速度以及布线等因素的影响，具体的数据传输速度是考虑了诸多因素之后确定的一个值，我们需要具体应用具体分析。        对于Uart来说，为什么通信双方的波特率需要设置的是一样的呢？波特率是不是就是数字信号采样的速率，如果通信双方采样的速率不一样，很显然会导致错误的结果。我们假定UART发送方的波特率是9600，接收方的波特率是19200。发送方发送的数据是“0101 0001”，那接收方会接收到什么数据呢？我们这里接收方数据采样的速率是不是发送方的两倍呀，大家可以看下面的图。 接收方数据采样出来的数据是不是“0011 0011”呀，是不是发送方的每个数据才接收方采样了两次呀，而且停止位是不是还出现了错误。这个例子从侧面说明了，发送方和接收方波特率必须一致的原因。 异步通信，相比同步通信，还有一个缺点，那就是说信号传递的速度相对较慢。在UART协议中，每个字符都需要起始位和停止位作为字符和开始和结束的标志，另外还有一个校验位，这些辅助设施大约增加了20%的信息位，以至占用了信号传输的时间，所以通信的速度就上不去。   @: f( x) M$ o5 E3 V+ h6 @ 4 e* o: ^4 B, @3 ^ - x8 v/ \% x2 {+ i/ G% C

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一个时钟周期中，只发送一个数据位

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UART的实现最简单，通信的双方不需要严格的时钟配合，只需要设定好波特率就可以了