1. UART 基础概念
UART（Universal Asynchronous Receiver/Transmitter，通用异步收发器）是嵌入式系统中最基础、最常用的串行通信接口之一。它通过两根信号线（TX 和 RX）实现设备间的全双工数据交换，无需共享时钟信号，因此被称为“异步”通信。理解 UART 的协议原理、帧格式和波特率配置，是后续驱动开发（轮询→中断→DMA）的基石。
1.1 串行通信原理
串行通信与并行通信的核心区别在于：串行通信逐位发送数据，而并行通信同时发送多位。UART 属于串行通信，其物理层仅需两条数据线（TX 发送、RX 接收）和一条公共地线（GND）。
关键特性： 异步、全双工、点对点、无时钟线。
| 通信方式 | 数据线数量 | 时钟同步 | 传输距离 | 典型应用 |
|---|---|---|---|---|
| UART（异步串行） | 2（TX + RX） | 无（需双方约定波特率） | 中（1~15m） | 调试串口、传感器、GPS 模块 |
| SPI（同步串行） | 4（SCLK + MOSI + MISO + CS） | 有（主设备提供时钟） | 短（板级） | Flash、ADC、显示屏 |
| I²C（同步串行） | 2（SCL + SDA） | 有（主设备提供时钟） | 短（板级） | EEPROM、传感器、RTC |
| 并行通信 | ≥8（数据线 + 控制线） | 有 | 极短（板级） | 旧式打印机、并口存储器 |
UART 的异步特性意味着发送方和接收方必须预先约定相同的波特率，才能正确采样每一位数据。接收端通过检测起始位的下降沿来同步位采样时钟。
1.2 UART 数据帧格式
UART 协议以“帧”为单位传输数据。一个标准的数据帧由以下部分组成：
- 起始位（Start Bit）： 逻辑低电平（0），标志一帧的开始，用于接收端同步位采样时钟。
- 数据位（Data Bits）： 通常为 5~9 位，常见配置为 8 位。低位（LSB）先发送。
- 校验位（Parity Bit）： 可选，用于简单的错误检测。支持无校验（None）、奇校验（Odd）、偶校验（Even）、强制 0/1（Mark/Space）。
- 停止位（Stop Bit）： 逻辑高电平（1），标志一帧结束。常见配置为 1 位、1.5 位或 2 位。
| 字段 | 位宽 | 电平 | 说明 |
|---|---|---|---|
| 起始位 | 1 bit | 低（0） | 帧同步信号，下降沿触发接收采样 |
| 数据位 | 5~9 bits | LSB 先发 | 实际传输的有效数据，常用 8 位 |
| 校验位 | 0 或 1 bit | 取决于校验方式 | 奇偶校验：使 1 的个数为奇数/偶数 |
| 停止位 | 1 / 1.5 / 2 bits | 高（1） | 帧结束标志，保证帧间有恢复时间 |
常见配置： 8N1（8 数据位、无校验、1 停止位）是嵌入式开发中最通用的 UART 帧格式，也是 Linux 串口驱动的默认配置。
1.3 波特率
波特率（Baud Rate）定义每秒传输的符号数。在 UART 中，一个符号对应一个 bit，因此波特率等于比特率（bps）。常见波特率包括：
- 9600 bps： 最经典的标准，广泛用于调试终端、老旧设备。
- 115200 bps： 嵌入式开发中最常用的高速串口波特率，兼顾速度与稳定性。
- 921600 bps / 1 Mbps： 用于高速数据传输，如固件升级、日志输出。
波特率决定了每一位的持续时间：
位时间 (s) = 1 / 波特率
示例：波特率 115200 bps
位时间 = 1 / 115200 ≈ 8.68 μs
一帧（8N1）总时间 = 10 bits × 8.68 μs ≈ 86.8 μs
理论最大吞吐 ≈ 11520 字节/秒
常见误区： 波特率越高，传输距离越短，对时钟精度要求越高。在长线传输或噪声环境中，应适当降低波特率。
1.4 硬件信号与连接
标准 UART 接口至少包含以下信号：
| 信号 | 方向 | 说明 |
|---|---|---|
| TX | 输出 | 发送数据线 |
| RX | 输入 | 接收数据线 |
| GND | 公共地 | 信号参考地，必须连接 |
| RTS / CTS | 输出 / 输入 | 硬件流控（可选），用于防止数据溢出 |
连接时需注意交叉连接：设备 A 的 TX 接设备 B 的 RX，设备 A 的 RX 接设备 B 的 TX。GND 必须相连，否则信号无法形成回路。
1.5 流控机制
UART 提供两种流控方式，用于防止接收端数据溢出：
- 硬件流控（RTS/CTS）： 通过专用信号线实现。接收端准备就绪时置高 RTS，发送端检测 CTS 为高时才发送数据。
- 软件流控（XON/XOFF）： 通过发送特殊字符（0x11 XON、0x13 XOFF）控制数据流，无需额外引脚，但仅适用于文本传输。
驱动开发提示： 在 Linux 内核中，UART 驱动通过
termios 结构体配置波特率、帧格式和流控模式。后续章节将深入讲解如何操作 UART 控制器寄存器。
1.6 本章小结
UART 作为异步串行通信协议，其核心要素包括：
- 串行逐位传输，仅需 TX、RX、GND 三线即可实现全双工通信。
- 数据帧由起始位、数据位（LSB 先发）、可选校验位和停止位组成。
- 波特率决定位传输速率，收发双方必须一致。
- 硬件/软件流控可选，用于协调数据收发节奏。