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一、UART核心概念：什么是通用异步收发器？

UART，全称Universal Asynchronous Receiver Transmitter，即通用异步收发器。它是一种硬件接口，同时也是一套独立的异步通信协议，核心特点是异步、全双工、串行——这三个关键词是理解UART的基础，后续会逐一拆解。简单来说，UART就像单片机的“通信信使”，负责将单片机内部的并行数据转换成串行数据发送出去，同时将接收的串行数据转换成并行数据供单片机处理，实现与外界设备的双向数据交互。

二、UART接线方式：记住“交叉连接”核心原则

UART通信的硬件接线相对简单，核心是4根线（部分简化场景可省略VCC），关键要注意“TXD与RXD交叉连接”，具体接线定义如下：

• VCC：电源正极，为UART模块供电（若外部设备与单片机共电源，可省略）；

• GND：接地，确保通信双方的电平参考一致，是稳定通信的前提；

• RXD：数据接收线，负责接收外部设备发送的串行数据；

• TXD：数据发送线，负责向外部设备发送串行数据。

重要注意事项：当两个设备通过UART通信时，必须遵循“交叉连接”规则——设备A的TXD接设备B的RXD，设备A的RXD接设备B的TXD。若直接将TXD接TXD、RXD接RXD，将无法正常传输数据。

三、三种通信方式对比：单工、半双工、全双工

UART属于全双工通信，为了更好地理解这个概念，我们先对比另外两种常见的通信方式，清晰区分它们的核心差异：

1. 单工通信

通信双方的角色固定：一方只能作为发送方，另一方只能作为接收方。数据通过一根数据线传输，传输方向是单一的，无法反向传输。比如收音机——电台只能发送信号，收音机只能接收信号，无法向电台反馈数据。

2. 半双工通信

通信双方可切换角色，既能发送数据也能接收数据，但同一时刻只能单向传输：当A向B发送数据时，B无法同时向A发送；反之亦然。数据同样通过一根数据线传输，比如对讲机——说话时无法听，听时无法说，需要切换“收发”状态。

3. 全双工通信

这是UART的核心通信方式：通信双方可同时作为发送方和接收方，数据通过两根独立的数据线（TXD和RXD）传输，任意时刻都能双向传输数据。比如我们日常打电话——你说话的同时，也能听到对方说话，收发数据互不干扰。

四、数据传输形式：串行vs并行

数据传输主要分为“串行”和“并行”两种形式，UART采用串行传输，两者的差异直接决定了通信的速率、成本和传输距离：

1. 串行传输（UART采用）

通过一根数据线，将多个bit（二进制位）按照先后次序逐个发送。

• 优点：硬件成本低（只需一根数据线）、传输距离远、抗干扰性好（少根线减少了信号干扰和偏移）；

• 缺点：传输速率慢（bit逐个传输，耗时较长）。

2. 并行传输

通过多根数据线，将多个bit同时发送（比如8根线同时传输8位数据）。

• 优点：传输速率快（多个bit同步传输）；

• 缺点：硬件成本高（需要多根数据线）、传输距离近（距离增加后，多根线的信号会出现偏移，易受电磁波干扰，导致数据错误）。

五、UART数据发送顺序：LSB优先原则

UART发送数据时，遵循“低位先行（LSB优先）”的规则，而非我们习惯的“高位先行”。举个例子：

若要发送的数据是 10100110（十六进制A6，bit7为最高位MSB，bit0为最低位LSB），其位序号为bit7~bit0，对应的发送顺序是从bit0（最低位）开始，依次发送bit1、bit2……最后发送bit7（最高位），即发送顺序为“bit0→bit1→bit2→bit3→bit4→bit5→bit6→bit7”。

六、奇偶校验：数据传输的“纠错小助手”

在数据传输过程中，可能因干扰导致bit位出错（比如1变成0，0变成1）。奇偶校验是一种简单的差错检测机制，通过添加“校验位”来判断数据是否传输错误，但要注意：它无法判断偶数个bit出错的情况。常见的奇偶校验分为3种：

1. 奇校验

校验位设为1，要求“数据位中1的个数 + 校验位的1”的总个数为奇数。若接收方检测到总个数为奇数，则代表校验通过（数据大概率正确）；若为偶数，则说明数据传输出错。

2. 偶校验

校验位设为0，要求“数据位中1的个数 + 校验位的0”的总个数为偶数。接收方检测到总个数为偶数时，校验通过；否则出错。

3. 无校验

不添加校验位，直接传输数据。这种方式节省传输时间，但无法检测数据错误，适合干扰小、对数据准确性要求不高的场景。

七、串口通信核心参数：波特率、数据位、校验位、停止位

两个设备通过UART通信时，必须保证双方的“通信参数”完全一致，否则会出现数据乱码。这些参数通常用“波特率 数据位 校验位 停止位”的格式表示（如9600 8 N 1），具体含义如下：

1. 波特率

指串口每秒传输的bit数（包括数据位、校验位、停止位等所有bit），是衡量传输速率的核心指标。常见的波特率有2400、4800、9600、115200等，其中9600是最常用的默认值。比如波特率9600，表示每秒可传输9600个bit。

2. 数据位

指每次传输的“有效数据”的bit数，常用的是8位（即一个字节），也有7位、9位等情况。

3. 校验位

对应之前的奇偶校验方式：N（None）表示无校验，E（Even）表示偶校验，O（Odd）表示奇校验。

4. 停止位

数据传输结束后，添加的“结束标志位”，常用的是1位停止位，也有1.5位、2位的情况。

示例解析：“9600 8 N 1”表示——波特率9600、8位数据位、无校验、1位停止位，这是单片机UART通信中最常用的配置组合。

八、同步vs异步：UART的“异步”核心

通信的“同步”与“异步”，核心区别在于是否需要时钟线进行频率同步：

• 同步通信：通信双方通过一根独立的时钟线（CLK）同步频率，发送方通过时钟线告知接收方“何时采样数据”，数据传输准确性高，但增加了硬件成本（多一根时钟线）；

• 异步通信（UART采用）：没有时钟线，双方通过“约定相同的波特率”来同步频率——发送方按照波特率的节奏发送数据，接收方按照相同的波特率采样数据。这种方式省去了时钟线，硬件更简单，但对波特率的一致性要求高（波特率偏差过大会导致数据错误）。

九、主机与从机：通信的“控制权”划分

在多设备UART通信中，通常会划分主机和从机，明确通信的发起权：

• 主机：拥有通信的绝对控制权，所有通信都由主机发起（比如向从机发送指令）；

• 从机：无法主动发起通信，只能等待主机下发指令，然后根据指令完成对应的操作，并向主机回复应答信息。

比如：单片机与电脑通信时，电脑通常作为主机，单片机作为从机；多个单片机通信时，可指定其中一个作为主机，其他作为从机。

十、51单片机UART核心寄存器配置

要让51单片机的UART正常工作，需要配置两个关键寄存器：SCON（串口控制寄存器）和PCON（电源控制寄存器，主要影响波特率），同时还要计算定时器初值（UART的波特率通常由定时器1产生）。

1. SCON寄存器（串口控制寄存器）

SCON用于配置串口工作模式、允许接收、标记收发状态，核心配置步骤如下：

• 将bit6（SM1）和bit7（SM0）清0后，再将bit6（SM1）置1：配置串口为“8位UART模式，波特率可变”（最常用的工作模式）；

• 将bit4（REN）置1：允许串口接收数据（若只需发送数据，可置0）；

• bit1（TI）：发送中断标志位——8位数据发送完毕后，硬件自动置1，需用软件手动清0（否则无法继续发送下一组数据）；

• bit0（RI）：接收中断标志位——8位数据接收完毕后，硬件自动置1，需用软件手动清0（否则无法继续接收下一组数据）。

2. PCON寄存器（电源控制寄存器）

PCON中与UART相关的主要是两个位，用于调整波特率：

• bit7（SMOD）：波特率倍增位——置1时，波特率翻倍；置0时，波特率为默认值；

• bit6（SMOD0）：模式选择辅助位——清0时，串口工作模式由SCON的SM0和SM1共同决定（默认配置）。

3. 波特率与定时器初值计算

51单片机的UART波特率（可变模式下）通常由定时器1（工作在8位自动重装模式）产生，核心公式为：

波特率 = (2^SMOD / 32) * (晶振频率 / (12 * (256 - 初值)))

其中：

• SMOD为PCON寄存器的bit7，0或1；

• 晶振频率：51单片机常用11.0592MHz（该频率能让波特率更精准，减少误差）；

• 12：51单片机的机器周期是12个时钟周期；

• 256：定时器1工作在8位模式下的最大值，初值为定时器的初始计数 value。

示例：若晶振频率11.0592MHz，SMOD=1（波特率翻倍），要得到9600的波特率，代入公式可计算出定时器1的初值为0xFD（具体计算过程可借助在线波特率计算器简化）。

总结

UART作为51单片机最核心的通信接口，核心在于“异步、全双工、串行”的通信特性，而掌握“交叉接线”“一致的通信参数”“正确的寄存器配置”是实现稳定通信的关键。从概念到实操，重点要理清：通信方式、数据传输规则、校验机制、核心参数，再通过配置SCON和PCON寄存器、计算定时器初值，就能让UART正常工作。