在嵌入式通信領(lǐng)域，UART（通用異步收發(fā)器）是一個(gè)非常重要的概念，也是面試中經(jīng)常會(huì)涉及到的考點(diǎn)。下面我們將詳細(xì)探討關(guān)于 UART 的一系列常見面試問題。
　　1. UART 和 USART 的區(qū)別
　　UART 即通用異步收發(fā)器，只支持異步通信；而 USART 即通用同步異步收發(fā)器，既支持同步通信，又支持異步通信。兩者在硬件和數(shù)據(jù)傳輸方面存在明顯差異。
　　硬件方面
　　時(shí)鐘信號(hào)：UART 不需要外部時(shí)鐘信號(hào)，它依靠波特率發(fā)生器生成時(shí)鐘。而 USART 在同步模式下需要外部提供時(shí)鐘信號(hào)，用于同步數(shù)據(jù)傳輸。例如，在一些對(duì)數(shù)據(jù)同步要求較高的工業(yè)控制場(chǎng)景中，USART 的同步模式就能夠發(fā)揮重要作用。
　　引腳需求：UART 通常只需數(shù)據(jù)線和地線等基本引腳。USART 在同步通信時(shí)，除了數(shù)據(jù)線，還需要時(shí)鐘線來傳輸時(shí)鐘信號(hào)。這使得 USART 的硬件連接相對(duì)復(fù)雜，但也為其實(shí)現(xiàn)同步通信提供了可能。
　　數(shù)據(jù)傳輸方面
　　數(shù)據(jù)幀結(jié)構(gòu)：UART 數(shù)據(jù)幀一般由起始位、數(shù)據(jù)位、校驗(yàn)位和停止位組成，結(jié)構(gòu)相對(duì)固定。USART 的數(shù)據(jù)幀結(jié)構(gòu)更靈活，數(shù)據(jù)位可配置為 5 - 9 位，停止位可選擇 1 - 2 位。這種靈活性使得 USART 能夠適應(yīng)更多不同類型的數(shù)據(jù)傳輸需求。
　　傳輸速率：UART 數(shù)據(jù)傳輸速率相對(duì)較低，通常在 115200bps 以下。USART 由于支持同步通信，數(shù)據(jù)傳輸速率較高，通常可高達(dá) 2Mbps。在需要高速數(shù)據(jù)傳輸?shù)膽?yīng)用中，如高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，USART 就具有明顯的優(yōu)勢(shì)。
　　傳輸模式：UART 采用異步傳輸模式，發(fā)送方和接收方?jīng)]有公共時(shí)鐘，依靠約定的波特率來保持?jǐn)?shù)據(jù)同步。USART 有同步和異步兩種傳輸模式，用戶可以根據(jù)具體的應(yīng)用場(chǎng)景選擇合適的傳輸模式。

　　2. UART 要配置那些參數(shù)

　　UART 的配置參數(shù)對(duì)于實(shí)現(xiàn)正確的數(shù)據(jù)傳輸至關(guān)重要，主要包括以下幾個(gè)方面：
　　波特率：指單位時(shí)間內(nèi)傳輸?shù)亩M(jìn)制位數(shù)，常見有 9600bps、115200bps 等。發(fā)送方和接收方需設(shè)置相同波特率，確保數(shù)據(jù)位的采樣和發(fā)送頻率一致，實(shí)現(xiàn)正確的數(shù)據(jù)傳輸。例如，在一個(gè)簡(jiǎn)單的單片機(jī)與電腦的串口通信中，雙方都設(shè)置為 9600bps，才能保證數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確傳輸。
　　數(shù)據(jù)位：指每次傳輸數(shù)據(jù)的位數(shù)，一般有 5 位、6 位、7 位、8 位或 9 位。它決定了能傳輸?shù)挠行?shù)據(jù)量，與被傳輸?shù)臄?shù)據(jù)類型和協(xié)議相關(guān)，如 ASCII 碼常用 7 位或 8 位數(shù)據(jù)位。
　　校驗(yàn)位：用于數(shù)據(jù)傳輸校驗(yàn)，有奇校驗(yàn)、偶校驗(yàn)、無(wú)校驗(yàn)等方式。奇校驗(yàn)保證數(shù)據(jù)位和校驗(yàn)位中 “1” 的個(gè)數(shù)為奇數(shù)，偶校驗(yàn)則為偶數(shù)。接收方通過校驗(yàn)判斷數(shù)據(jù)是否傳輸錯(cuò)誤。在一些對(duì)數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性要求較高的通信中，如金融數(shù)據(jù)傳輸，通常會(huì)采用校驗(yàn)位來保證數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。
　　停止位：表示數(shù)據(jù)幀結(jié)束的標(biāo)志位，位數(shù)可為 1 位、1.5 位或 2 位。使接收方有時(shí)間處理數(shù)據(jù)并準(zhǔn)備接收下一幀數(shù)據(jù)，不同通信設(shè)備可能需要不同的停止位設(shè)置。
　　流控制：用于協(xié)調(diào)數(shù)據(jù)發(fā)送方和接收方的速率，有硬件流控制（RTS/CTS）和軟件流控制（XON/XOFF）。硬件流控制通過 RTS、CTS 信號(hào)控制數(shù)據(jù)傳輸；軟件流控制用特定字符（如 XON、XOFF）通知對(duì)方暫?；蚶^續(xù)發(fā)送數(shù)據(jù)，防止數(shù)據(jù)丟失。在一些大數(shù)據(jù)量傳輸?shù)膱?chǎng)景中，流控制能夠有效地避免數(shù)據(jù)丟失和傳輸錯(cuò)誤。

　　3. UART 通信時(shí)序

　　UART 的通信時(shí)序包括多個(gè)階段，下面為你詳細(xì)介紹：
　　空閑狀態(tài)：在沒有數(shù)據(jù)傳輸時(shí)，UART 的數(shù)據(jù)線處于高電平狀態(tài)，代表邏輯 “1”，此時(shí)總線處于空閑狀態(tài)。
　　起始位：當(dāng)發(fā)送方準(zhǔn)備發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，首先會(huì)將數(shù)據(jù)線拉低，產(chǎn)生一個(gè)邏輯 “0” 信號(hào)，持續(xù)時(shí)間為一個(gè)波特周期，以此來表示數(shù)據(jù)傳輸?shù)拈_始，接收方檢測(cè)到這個(gè)下降沿后，就知道有數(shù)據(jù)要傳輸了。
　　數(shù)據(jù)位：起始位之后是要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)位，數(shù)據(jù)位可以是 5 位、6 位、7 位、8 位或 9 位等，具體位數(shù)由通信雙方事先約定。數(shù)據(jù)位按照低位在前、高位在后的順序依次發(fā)送，每個(gè)數(shù)據(jù)位的持續(xù)時(shí)間也是一個(gè)波特周期。
　　校驗(yàn)位：校驗(yàn)位緊跟在數(shù)據(jù)位之后，用于驗(yàn)證數(shù)據(jù)傳輸?shù)恼_性，可選奇校驗(yàn)、偶校驗(yàn)、0 校驗(yàn)、1 校驗(yàn)或無(wú)校驗(yàn)。若采用奇校驗(yàn)，會(huì)保證數(shù)據(jù)位和校驗(yàn)位中 “1” 的個(gè)數(shù)為奇數(shù)；若為偶校驗(yàn)，則保證 “1” 的個(gè)數(shù)為偶數(shù)。校驗(yàn)位的持續(xù)時(shí)間同樣為一個(gè)波特周期。
　　停止位：停止位位于數(shù)據(jù)幀的末尾，用于表示一幀數(shù)據(jù)的結(jié)束，通常為邏輯 “1”，可以是 1 位、1.5 位或 2 位，其持續(xù)時(shí)間相應(yīng)為一個(gè)、一個(gè)半或兩個(gè)波特周期。停止位的作用是給接收方提供一個(gè)數(shù)據(jù)接收完成的標(biāo)志，同時(shí)也為雙方的時(shí)鐘同步提供一個(gè)短暫的調(diào)整時(shí)間。
　　空閑位：在一幀數(shù)據(jù)傳輸完成后，總線會(huì)自動(dòng)回到高電平狀態(tài)，形成空閑位，等待下數(shù)據(jù)傳輸?shù)拈_始。
　　下面以傳輸字節(jié)數(shù)據(jù) 0x55（二進(jìn)制為 01010101）為例，假設(shè)采用 1 位起始位、8 位數(shù)據(jù)位、偶校驗(yàn)、1 位停止位，波特率為 9600bps，其時(shí)序如下：首先是起始位的低電平，持續(xù)約 104.2μs（1/9600s）；然后依次發(fā)送數(shù)據(jù)位的 10101010，每個(gè)數(shù)據(jù)位持續(xù) 104.2μs；接著是偶校驗(yàn)位為 0，持續(xù) 104.2μs；是停止位的高電平，持續(xù) 104.2μs。
　　4. UART 的 RX 引腳為什么要上拉
　　UART 的 RX 引腳進(jìn)行上拉操作主要有以下幾個(gè)原因：
　　抗干擾：當(dāng) RX 引腳配置為浮空輸入模式時(shí)，輸入阻抗高，抗干擾能力弱，易受外部電磁干擾和系統(tǒng)內(nèi)部干擾，如靠近 TX 引腳或 RS485 的 DE 引腳時(shí)，易被干擾。上拉后，引腳默認(rèn)處于高電平，干擾信號(hào)需將電平拉低到一定程度才會(huì)影響數(shù)據(jù)接收，能增強(qiáng)抗干擾能力。
　　確定默認(rèn)狀態(tài)：在沒有數(shù)據(jù)傳輸時(shí)，將 RX 引腳設(shè)置為上拉，使其處于確定的高電平狀態(tài)，代表邏輯 “1”。這樣接收方可以明確當(dāng)前沒有數(shù)據(jù)輸入，避免因引腳狀態(tài)不確定而產(chǎn)生誤判，認(rèn)為有數(shù)據(jù)或出現(xiàn)錯(cuò)誤的數(shù)據(jù)起始信號(hào)等。
　　匹配電平：在某些通信場(chǎng)景中，發(fā)送方輸出的高電平可能與接收方 RX 引腳的輸入高電平閾值存在差異。上拉電阻可以幫助調(diào)整 RX 引腳的電平，使其更好地匹配發(fā)送方的輸出電平，確保接收方能夠正確識(shí)別發(fā)送方發(fā)送的邏輯 “1” 信號(hào)。
　　解決未連接問題：當(dāng) UART 接口未連接到發(fā)送設(shè)備時(shí)，若 RX 引腳無(wú)上拉，其狀態(tài)可能不確定，會(huì)導(dǎo)致 UART 控制器產(chǎn)生誤判，出現(xiàn)通信錯(cuò)誤。上拉電阻能使未連接時(shí) RX 引腳為高電平，避免此類問題。
　　5. 串口如何接受不定長(zhǎng)數(shù)據(jù)
　　串口接收不定長(zhǎng)數(shù)據(jù)可以采用以下幾種方法：
　　基于特定結(jié)束標(biāo)志：在發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，在數(shù)據(jù)末尾添加一個(gè)特定的字符或字符序列作為結(jié)束標(biāo)志。接收方在接收數(shù)據(jù)時(shí)，不斷讀取串口數(shù)據(jù)，直到接收到這個(gè)結(jié)束標(biāo)志，就認(rèn)為數(shù)據(jù)接收完成。例如，假設(shè)結(jié)束標(biāo)志為 “\r\n”，接收程序使用循環(huán)不斷讀取串口數(shù)據(jù)，將數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在緩沖區(qū)中，當(dāng)檢測(cè)到 “\r\n” 時(shí)，說明一幀數(shù)據(jù)接收完畢，然后對(duì)緩沖區(qū)中的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。
　　基于定時(shí)器超時(shí)：?jiǎn)?dòng)一個(gè)定時(shí)器，在接收數(shù)據(jù)的過程中，每接收到一個(gè)字節(jié)的數(shù)據(jù)，就重置定時(shí)器。如果在一定時(shí)間內(nèi)沒有接收到新的數(shù)據(jù)，定時(shí)器就會(huì)超時(shí)，此時(shí)認(rèn)為數(shù)據(jù)接收完成。例如，設(shè)定定時(shí)器超時(shí)時(shí)間為 100 毫秒，當(dāng)開始接收數(shù)據(jù)時(shí)啟動(dòng)定時(shí)器，每接收到一個(gè)字節(jié)，就將定時(shí)器重新設(shè)置為初始值。若 100 毫秒內(nèi)沒有新數(shù)據(jù)到來，定時(shí)器超時(shí)，觸發(fā)接收完成事件，對(duì)已接收的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。
　　基于協(xié)議規(guī)定的長(zhǎng)度字段：在數(shù)據(jù)幀的開頭或其他固定位置設(shè)置一個(gè)字段，用于表示數(shù)據(jù)幀的長(zhǎng)度。接收方首先讀取這個(gè)長(zhǎng)度字段，然后根據(jù)長(zhǎng)度字段的值來確定需要接收的數(shù)據(jù)字節(jié)數(shù)，按照這個(gè)數(shù)量進(jìn)行數(shù)據(jù)接收。例如，假設(shè)數(shù)據(jù)幀的前兩個(gè)字節(jié)表示數(shù)據(jù)長(zhǎng)度，接收方先讀取這兩個(gè)字節(jié)，解析出數(shù)據(jù)長(zhǎng)度為 N，然后繼續(xù)從串口讀取 N 個(gè)字節(jié)的數(shù)據(jù)，完成數(shù)據(jù)接收后進(jìn)行處理。
　　基于狀態(tài)機(jī)：根據(jù)串口數(shù)據(jù)的格式和通信協(xié)議，設(shè)計(jì)一個(gè)狀態(tài)機(jī)。狀態(tài)機(jī)根據(jù)接收到的數(shù)據(jù)和當(dāng)前狀態(tài)進(jìn)行狀態(tài)轉(zhuǎn)換，當(dāng)狀態(tài)機(jī)達(dá)到特定的結(jié)束狀態(tài)時(shí)，認(rèn)為數(shù)據(jù)接收完成。例如，初始狀態(tài)為等待起始標(biāo)志，接收到起始標(biāo)志后進(jìn)入數(shù)據(jù)接收狀態(tài)，在數(shù)據(jù)接收狀態(tài)中根據(jù)協(xié)議規(guī)則判斷是否接收完所有數(shù)據(jù)，若接收完則進(jìn)入結(jié)束狀態(tài)，觸發(fā)數(shù)據(jù)處理操作。