【单片机】深入剖析USART与UART的区别

在嵌入式系统和微控制器开发中,串行通信是一个非常关键的概念,涉及到不同设备之间的数据传输。常见的串行通信协议包括UART(Universal Asynchronous Receiver/Transmitter)和USART(Universal Synchronous/Asynchronous Receiver/Transmitter)。它们看似相似,但在具体功能和应用场景上有明显的区别。

1. 通信模式:异步与同步

首先,理解UART和USART之间最根本的区别在于它们支持的通信模式

  • UART(通用异步收发器)仅支持异步通信。这意味着数据传输时,发送方和接收方并不共享时钟信号。它们通过设定一致的波特率来保持通信的同步性。虽然这种方式简化了通信线路,但波特率的偏差可能导致数据传输错误。

  • USART(通用同步/异步收发器)支持两种模式:异步通信同步通信。与UART的异步模式相同,USART也可以不使用时钟信号传输数据。但它的特别之处在于,它还支持同步模式,此时,发送端和接收端通过共享同一时钟信号来实现数据同步。同步通信能够大幅提高传输速度,并减少波特率差异带来的错误。

2. 帧结构与数据传输

UART的数据传输是基于帧(Frame)的。每一帧包含:

  • 起始位:用于通知接收端即将开始的通信。
  • 数据位:通常为8位或9位。
  • 校验位(可选):用于数据校验,保证数据完整性。
  • 停止位:用于通知接收端数据帧传输的结束。

USART异步模式与UART类似,数据以帧的形式传输,采用相同的帧结构。区别在于USART同步模式下,数据传输可以不依赖起始位和停止位,而是依赖时钟信号同步,这让数据流更加连续,并且时序控制更加精确。

3. 时钟信号的区别

UART完全依赖波特率来控制发送和接收的数据速率。虽然这减少了硬件需求(不需要时钟信号线),但波特率必须严格匹配,否则可能出现同步问题导致数据丢失。

USART在同步模式下则通过**共享时钟信号(SCK)**来同步数据的发送和接收。时钟信号使得接收方可以准确判断何时读取每一个比特,从而减少了由于波特率不匹配而导致的传输错误。此外,同步模式下,数据传输可以更高速且更加稳定。

4. 引脚数量

一个重要的硬件层面差异是所需引脚数量

  • UART模式下,数据传输只需要两条数据线:TX(发送)RX(接收),外加接地线(GND)。

  • USART在同步模式下则多了一条时钟线(SCK),它负责发送同步信号给接收端。因此,USART同步模式需要三条数据线:TX、RX、SCK,加上接地线。

这意味着USART在同步模式下比UART需要更多的硬件资源,但也带来了更高的传输速率和精确度。

5. 波特率的灵活性与通信速率

UART的波特率是由系统内部的波特率生成器控制的,但如果发送端和接收端的波特率配置得不精确,可能会导致数据包不同步,尤其在高波特率下,这种问题更加明显。因此,UART通常适合中低速的通信场景。

USART的同步通信模式由于有时钟信号的精确控制,可以实现更高的传输速率,且误码率相对更低。在许多高速、精确的数据传输场景中,USART的同步模式是一种理想的选择。

6. 常见应用场景

由于UART和USART的特性不同,它们也适用于不同的应用场景。

  • UART应用场景:UART由于硬件简单、传输协议广泛应用,通常用于低速、简化的通信场景。例如:

    • 蓝牙模块与微控制器通信
    • GPS模块与计算机之间的数据传输
    • 调制解调器(Modem)与计算机之间的串行通信
  • USART应用场景:USART的同步模式适合需要高带宽和精确控制的场景,例如:

    • 高速数据采集系统
    • 微控制器与其他高速外设之间的数据传输
    • 串行外设接口(SPI)通信中,USART也常用作同步通信的实现方式

7. 同步模式的优势与局限

USART同步模式虽然能显著提高数据传输速率,但它也有一些局限性。例如,硬件上需要额外的时钟信号引脚,在系统设计时需要增加连线和控制逻辑。此外,USART的同步模式在某些应用中可能需要额外的时钟管理器(Clock Manager)来确保时钟信号的稳定。

总结:如何选择UART与USART

在选择UART或USART时,应该首先考虑你的应用场景的具体需求:

  • 如果你的系统中不需要高精度的时钟同步,且通信速率要求不高,UART将是一个更简单且更实用的选择。
  • 如果你的应用需要更高的传输速率,并且系统能够支持时钟信号的额外硬件成本,那么USART的同步模式将为你提供更高效、更精确的数据传输。

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