【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：异步通信和同步通信。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）和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。