在嵌入式通信領(lǐng)域，UART（通用異步收發(fā)器）是一個非常重要的概念，也是面試中經(jīng)常會涉及到的考點。下面我們將詳細探討關(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
　　時鐘信號：UART 不需要外部時鐘信號，它依靠波特率發(fā)生器生成時鐘。而 USART 在同步模式下需要外部提供時鐘信號，用于同步數(shù)據(jù)傳輸。例如，在一些對數(shù)據(jù)同步要求較高的工業(yè)控制場景中，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，除了數(shù)據(jù)線，還需要時鐘線來傳輸時鐘信號。這使得 USART 的硬件連接相對復雜，但也為其實現(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、校驗位和停止位組成，結(jié)構(gòu)相對固定。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 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。
　　傳輸模式：UART 采用異步傳輸模式，發(fā)送方和接收方?jīng)]有公共時鐘，依靠約定的波特率來保持數(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)對于實現(xiàn)正確的數(shù)據(jù)傳輸至關(guān)重要，主要包括以下幾個方面：
　　波特率：指單位時間內(nèi)傳輸?shù)亩M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，實現(xiàn)正確的數(shù)據(jù)傳輸。例如，在一個簡單的單片機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。
　　校驗位：用于數(shù)據(jù)傳輸校驗，有奇校驗、偶校驗、無校驗等方式。奇校驗保證數(shù)據(jù)位和校驗位中 “1” 的個數(shù)為奇數(shù)，偶校驗則為偶數(shù)。接收方通過校驗判斷數(shù)據(jù)是否傳輸錯誤。在一些對數(shù)據(jù)準確性要求較高的通信中，如金融數(shù)據(jù)傳輸，通常會采用校驗位來保證數(shù)據(jù)的準確性。
　　停止位：表示數(shù)據(jù)幀結(jié)束的標志位，位數(shù)可為 1 位、1.5 位或 2 位。使接收方有時間處理數(shù)據(jù)并準備接收下一幀數(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 信號控制數(shù)據(jù)傳輸；軟件流控制用特定字符（如 XON、XOFF）通知對方暫停或繼續(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)膱鼍爸校骺刂颇軌蛴行У乇苊鈹?shù)據(jù)丟失和傳輸錯誤。

　　3. UART 通信時序

　　UART 的通信時序包括多個階段，下面為你詳細介紹：
　　空閑狀態(tài)：在沒有數(shù)據(jù)傳輸時，UART 的數(shù)據(jù)線處于高電平狀態(tài)，代表邏輯 “1”，此時總線處于空閑狀態(tài)。
　　起始位：當發(fā)送方準備發(fā)送數(shù)據(jù)時，首先會將數(shù)據(jù)線拉低，產(chǎn)生一個邏輯 “0” 信號，持續(xù)時間為一個波特周期，以此來表示數(shù)據(jù)傳輸?shù)拈_始，接收方檢測到這個下降沿后，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，每個數(shù)據(jù)位的持續(xù)時間也是一個波特周期。
　　校驗位：校驗位緊跟在數(shù)據(jù)位之后，用于驗證數(shù)據(jù)傳輸?shù)恼_性，可選奇校驗、偶校驗、0 校驗、1 校驗或無校驗。若采用奇校驗，會保證數(shù)據(jù)位和校驗位中 “1” 的個數(shù)為奇數(shù)；若為偶校驗，則保證 “1” 的個數(shù)為偶數(shù)。校驗位的持續(xù)時間同樣為一個波特周期。
　　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)時間相應(yīng)為一個、一個半或兩個波特周期。停止位的作用是給接收方提供一個數(shù)據(jù)接收完成的標志，同時也為雙方的時鐘同步提供一個短暫的調(diào)整時間。
　　空閑位：在一幀數(shù)據(jù)傳輸完成后，總線會自動回到高電平狀態(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、1 位停止位，波特率為 9600bps，其時序如下：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，每個數(shù)據(jù)位持續(xù) 104.2μs；接著是偶校驗位為 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 引腳進行上拉操作主要有以下幾個原因：
　　抗干擾：當 RX 引腳配置為浮空輸入模式時，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，易被干擾。上拉后，引腳默認處于高電平，干擾信號需將電平拉低到一定程度才會影響數(shù)據(jù)接收，能增強抗干擾能力。
　　確定默認狀態(tài)：在沒有數(shù)據(jù)傳輸時，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，認為有數(shù)據(jù)或出現(xiàn)錯誤的數(shù)據(jù)起始信號等。
　　匹配電平：在某些通信場景中，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別發(fā)送方發(fā)送的邏輯 “1” 信號。
　　解決未連接問題：當 UART 接口未連接到發(fā)送設(shè)備時，若 RX 引腳無上拉，其狀態(tài)可能不確定，會導致 UART 控制器產(chǎn)生誤判，出現(xiàn)通信錯誤。上拉電阻能使未連接時 RX 引腳為高電平，避免此類問題。
　　5. 串口如何接受不定長數(shù)據(jù)
　　串口接收不定長數(shù)據(jù)可以采用以下幾種方法：
　　基于特定結(jié)束標志：在發(fā)送數(shù)據(jù)時，在數(shù)據(jù)末尾添加一個特定的字符或字符序列作為結(jié)束標志。接收方在接收數(shù)據(jù)時，不斷讀取串口數(shù)據(jù)，直到接收到這個結(jié)束標志，就認為數(shù)據(jù)接收完成。例如，假設(shè)結(jié)束標志為 “\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)存儲在緩沖區(qū)中，當檢測到 “\r\n” 時，說明一幀數(shù)據(jù)接收完畢，然后對緩沖區(qū)中的數(shù)據(jù)進行處理。
　　基于定時器超時：啟動一個定時器，在接收數(shù)據(jù)的過程中，每接收到一個字節(jié)的數(shù)據(jù)，就重置定時器。如果在一定時間內(nèi)沒有接收到新的數(shù)據(jù)，定時器就會超時，此時認為數(shù)據(jù)接收完成。例如，設(shè)定定時器超時時間為 100 毫秒，當開始接收數(shù)據(jù)時啟動定時器，每接收到一個字節(jié)，就將定時器重新設(shè)置為初始值。若 100 毫秒內(nèi)沒有新數(shù)據(jù)到來，定時器超時，觸發(fā)接收完成事件，對已接收的數(shù)據(jù)進行處理。
　　基于協(xié)議規(guī)定的長度字段：在數(shù)據(jù)幀的開頭或其他固定位置設(shè)置一個字段，用于表示數(shù)據(jù)幀的長度。接收方首先讀取這個長度字段，然后根據(jù)長度字段的值來確定需要接收的數(shù)據(jù)字節(jié)數(shù)，按照這個數(shù)量進行數(shù)據(jù)接收。例如，假設(shè)數(shù)據(jù)幀的前兩個字節(jié)表示數(shù)據(jù)長度，接收方先讀取這兩個字節(jié)，解析出數(shù)據(jù)長度為 N，然后繼續(xù)從串口讀取 N 個字節(jié)的數(shù)據(jù)，完成數(shù)據(jù)接收后進行處理。
　　基于狀態(tài)機：根據(jù)串口數(shù)據(jù)的格式和通信協(xié)議，設(shè)計一個狀態(tài)機。狀態(tài)機根據(jù)接收到的數(shù)據(jù)和當前狀態(tài)進行狀態(tài)轉(zhuǎn)換，當狀態(tài)機達到特定的結(jié)束狀態(tài)時，認為數(shù)據(jù)接收完成。例如，初始狀態(tài)為等待起始標志，接收到起始標志后進入數(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)，若接收完則進入結(jié)束狀態(tài)，觸發(fā)數(shù)據(jù)處理操作。