2. UART基础回顾：异步串行通信原理、帧格式、波特率与电平标准

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。在深入多串口扩展方案之前，必须牢固掌握UART的核心原理。本节将从异步通信机制、数据帧结构、波特率配置以及电平标准四个维度进行系统回顾。

2.1 异步串行通信原理

UART采用异步方式传输数据，这意味着收发双方不需要共享同一时钟信号。取而代之的是，双方通过预先约定相同的波特率来同步数据采样时刻。通信链路中仅需两根信号线：TX（发送）和RX（接收），数据以串行方式逐位在单根线上传输。

下图展示了UART异步通信的基本链路模型：

2.2 UART帧格式

UART数据以帧为单位进行传输。一个标准的数据帧由以下字段按顺序组成：

下图以 8N1（8数据位、无校验、1停止位）格式为例，展示一帧数据的完整波形：

2.3 波特率

波特率（Baud Rate）定义每秒传输的符号数。在UART中，一个符号对应一个比特位，因此波特率等于比特率（bps）。波特率决定了每一位的持续时间：

位时间 (T_bit) = 1 / 波特率

例如，波特率 115200 bps 时，每位持续约 8.68 µs。收发双方必须使用相同的波特率，且允许存在一定误差（通常要求 < ±2%）。

2.4 电平标准

UART定义的是逻辑协议，物理层电平标准由具体接口规范决定。嵌入式开发中最常见的两种电平标准对比如下：

下图展示了TTL与RS-232电平在相同数据帧下的波形差异：

2.5 嵌入式开发中的UART配置实践

在STM32、ESP32等主流MCU上初始化UART时，通常需要配置以下参数。以下是一个典型的初始化代码示例：

// STM32 HAL 库 UART 初始化示例
UART_HandleTypeDef huart1;

void MX_USART1_UART_Init(void)
{
    huart1.Instance = USART1;
    huart1.Init.BaudRate = 115200;          // 波特率
    huart1.Init.WordLength = UART_WORDLENGTH_8B;  // 8 数据位
    huart1.Init.StopBits = UART_STOPBITS_1;       // 1 停止位
    huart1.Init.Parity = UART_PARITY_NONE;         // 无校验
    huart1.Init.Mode = UART_MODE_TX_RX;           // 全双工
    huart1.Init.HwFlowCtl = UART_HWCONTROL_NONE;  // 无硬件流控
    huart1.Init.OverSampling = UART_OVERSAMPLING_16;

    if (HAL_UART_Init(&huart1) != HAL_OK)
    {
        Error_Handler();
    }
}