[Day 25]-【STM32系列】串列通訊的老祖宗：UART

12th鐵人賽 stm32 stm32l053r8 arm embedded

SimbaZZ

2020-10-10 23:51:39

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前一次我們講到了這篇[Day 18]-【STM32系列】IC之間常用的通訊協定 I²C
今天要來聊聊另一個在通訊界面廣泛使用且歷史悠久
就是我們的串列通訊的老祖宗：UART

關於這個老祖宗

還記得上次我們說I²C是一個同步的Tx、Rx通訊協定，用兩條SCL(clock)、SDA(data)在不同設備中進行通訊
就是靠clock的邊緣觸發(即從HIGH到LOW或LOW到HIGH的觸發狀態)，由data決定訊號為HIGH或LOW

而所謂同步指的就是指大家說好要在同一個時間傳送或接收資料，就像I²C那樣，Slave會在clock觸發邊緣狀態的時候讀取data的值，Master會確保clock在觸發期間資料的有效且穩定的

如果..大家也說好用一樣的速度呢？

沒錯，我們不再需要clock來告訴我們傳送資料了，兩邊都說好我們都用一樣的速度傳送資料，用一樣的速度接收資料，這樣不就好了嗎？

那這個說好用一樣的這個速度，在 UART 我們稱之為鮑率(baud rate)，也就是為甚麼你常常用Arduino的序列埠視窗前要先設定 9600 baud、115200 baud 的原因，如果兩邊的速度不一樣，你甚麼也不會收到。

在這裡科普一下，根據維基百科的說法：單位「鮑」本身就已經是代表每秒的調制數，以「鮑每秒」（Baud per second）為單位是一種常見的錯誤，但是在一般中文口語化的溝通上還是常以「鮑率」來描述「鮑」（Baud）。

如何傳送？

以 9600 baud 的速度來講，理論上每秒可以傳送 9600 個 bit，每個bit的時間就是 1/9600 = 104.16us

跟I²C很像的一點就是，當UART開始傳送時，會先發送1 bit 的start condition的信號，平時這個UART保持在高電位，當要開始傳送時就讓UART維持低電位，這樣接收端就知道說有資料要傳送過來了，那就以start conditiond往後數104.16us，就是第一個 data bit 的開始

接著每個bit間隔104.16us讀出共8位元的資料，最後一個位元為同位位元(parity bit)，同位位元分為偶同位位元(even parity)和奇同位位元(odd parity)

以偶同位位元(even parity)來說，如果一組資料'1'的個數是奇數，偶同位位元就會補一個bit為1，使一組資料的'1'的個數是偶數。假如傳送的資料為1110101共7個bit，其中有5個1，偶同位位元就會補一個1，使整組資料為11101011共8個bit，其中有6個1。奇同位位元(odd parity)只差在使一組資料的'1'的個數是奇數，其他的規則一樣

圖片來源：https://www.solitontech.com/uart-protocol-validation-service/

如果接收端收到的資料發現有誤，其中一個bit變成0或1了，假如是偶同位位元，收到的資料卻是奇數個'1'，那我們就知道資料在傳送的時候出錯了，重傳。但聽到這裡你可能會想，好在今天是只有1個錯誤，如果是兩個bit傳錯怎麼辦？這就是這個演算法最大的問題，只能針對單個bit偵錯。不過好家在，現今隨著硬體的提升軟體的支援越發強大，UART 已經很少在用 parity bit。大多數變成1bit start + 8bit data

還沒完，再加上一個stop bit為HIGH，所以前前後後每8bit還要再加上2個bit，因此實際上傳送的效率可能不及9600 baud。至於stop bit做甚麼用的？其實就只是分隔前後8bit的資料罷了，算是一個安全的時間間隔。

說了這麼多，其實UART也不過是一個通訊協定，實務上常見會需要搭配RSR-232、RS-422、RS-485這些介面搭配做使用，既然介紹了就一定會用到啊，敬請期待！