UART 和 USART 通讯详解——以 OSI 模型分析 物理层、数据链路层和应用层

一、UART 通讯简介

1.1 UART 通讯简介

UART 是 Universal Asynchronous Receiver / Transmitter 的缩写，中文为通用异步收发器。

发送端把并行数据 (如 CPU 内部的 8 位数据) 转成串行信号，接收端把串行信号重新变成并行字节，双方没有共享时钟线，靠起始位和波特率同步时序。

UART 协议在数据链路层和物理层并没有规定有关总线通讯的协议，如果要实现总线通讯，也就是在一条总线上挂载三个及以上的设备，其通讯方式只能在应用层完成，以一主机多从机形式实现。

UART 协议仅规范 OSI 模型下的数据链路层。其物理层模型并没有规范，我们可以使用 TLL 电平、RS-232、RS-485 和 RS-422 电气协定进行通讯。

1.2 特性

1.2.1 优点

• 只需要两条线：TX (发送) 和 RX (接收) ，可选 GND。无需时钟线。
• 几乎所有 MCU 都自带 UART 外设，驱动简单，配置方便。
• 不需要共享时钟，主从设备的时钟只需波特率匹配。
• 有起始位、停止位、可选校验位，能检测单比特错误。
• TX 和 RX 独立，可以同时发送和接收数据。

1.2.2 缺点

• UART 本质是点对点通信，不能天然支持总线结构 (不像 CAN、I²C 那样) 。
• 没有时钟的异步通信需要双方波特率精确匹配，否则易出现位错。
• 常见波特率如 9600、115200 bps；相比 SPI/I²C/CAN 等高速总线要慢。
• UART 只是一种字节流接口，没有帧结构或地址机制，需要上层协议实现。

二、数据链路层

2.1 什么是数据链路层

物理层定义了 0 和 1 的信号形式。数据链路层则提供可靠的数据传输，进行帧的封装、错误检测、流量控制。

• 帧封装：把目标数据封装成一帧 (Frame)，加上帧头、帧尾，使接收方能识别帧的起止。
• 物理寻址：每个链路设备都有一个地址，用于在同一总线中识别发送方和接收方。
• 差错检测与纠正：CRC、奇偶校验等方式检测 (有时纠正) 比特错误。
• 流量控制：控制发送速度，防止发送方过快导致接收方缓冲区溢出。
• 重传控制：通过确认（ACK）机制与超时重传，提高传输可靠性。

对于 UART 协议中的数据链路层提供了：帧封装 (空闲状态、起始位、数据位、停止位)、错误检测 (CRC 校验)、流量控制 (硬件或软件流控)。

2.2 帧数据波形

如果我们使用 停止位 1 位、数据位 8 位，无校验位的格式，其一帧结构如下：

2.3 空闲状态、起始位、数据位、校验位、停止位

2.3.1 空闲状态

串口在没有数据时处于高电平。

2.3.2 起始位

串口在空闲时一直处于高电平，如果在空闲状态波形被拉低一格，则是一个起始位，就是上图的 (1) 格。

2.3.3 数据位

其中 (2)~(9) 为数据位，我们可以看到上图的数据位中的数据是 1101 0010，也就是 0xD2。

2.3.4 停止位

在数据位结束之后，会被拉到一格，这也就是停止位了，意味着数据位结束。之后就回到了空闲状态，也就是高电平。对应上图的 (10)。

2.3.5 校验位

上图中没有校验位，他的位置介于上图的数据位 (9) 和停止位 (10) 之间，其定义为：

• 如果数据里1的个数是偶数 → 校验位 = 1
• 如果数据里1的个数是奇数 → 校验位 = 0

2.5 流控

2.5.1 硬件流控

硬件流控解决收发速度过快的问题。它的基本含义非常简单，当接收端接收到的数据处理不过来时，就向发送端发送不再接收的信号，发送端接收到这个信号之后就会停止发送，直到收到可以继续发送的信号再继续发送。因此流控本身是可以控制数据传输的进度，进而防止数据丢失。

硬件流控需要两根额外的信号线：

信号线	全称	方向	作用
RTS	Request To Send	输出 (本机→对方)	本机准备好接收数据
CTS	Clear To Send	输入 (对方→本机)	对方允许本机发送数据

前一路信号控制 B 设备的发送，后一路信号控制 A 设备的发送。

对B设备的发送 (A 设备接收) 来说，如果 A 设备接收缓冲快满的时发出 RTS 信号 (RTS 拉高，RTS 无效，告知对方停止发送)，通知B设备停止发送，B 设备通过 CTS 检测到该信号，停止发送；

一段时间后 A 设备接收缓冲有了空余，发出RTS 信号 (RTS 拉低，RTS 有效，请求发送)，指示B设备开始发送数据。A 设备发 (B 设备接收) 类似。

除了 RTS 和 CTS 之外还有 DTR 和 DSR 两个信号用于上电触发，这也是流控的一部分：

信号线	全称	方向	作用
DTR	Data Terminal Ready	输出 (本机→对方)	设备上电就绪
DSR	Data Set Ready	输入 (对方→本机)	对方设备就绪

2.5.2 软件流控

由于电缆线的限制，我们在普通的控制通讯中一般不用硬件流控制，而用软件流控制。一般通过XON/XOFF 来实现软件流控制。

常用方法是：当接收端的输入缓冲区内数据量超过设定的高位时，就向数据发送端发出 XOFF 字符 (十进制的 19 或 Control-S)，发送端收到 XOFF 字符后就立即停止发送数据；

当接收端的输入缓冲区内数据量低于设定的低位时，就向数据发送端发出 XON 字符 (十进制的 17或 Control-Q)，发送端收到 XON 字符后就立即开始发送数据。一般可以从设备配套源程序中找到发送的是什么字符。

应该注意，若传输的是二进制数据，标志字符也有可能在数据流中出现而引起误操作，这是软件流控制的缺陷，而硬件流控制不会有这个问题。

三、物理层

3.1 什么是物理层

物理层是 OSI 模型的第一层 (最底层)，它负责 在物理媒介上发送和接收原始比特流，也就是把 0 和 1 转换成实际可传输的信号。它完全和数据内容无关，只关注 信号如何在介质上传播。

物理层的主要定义有：

• 电气特性：电压幅度、逻辑电平、信号极性 (高电平 / 低电平表示 0 / 1)
• 传输速率：比特率 (bps) 或以太网的 (Mbps) 等
• 物理拓扑：点对点 (串口) 、总线 (CAN)、星型 (以太网) 等
• 传输模式 ：单工、半双工、全双工

3.2 传输速率——波特率

波特率 (Baud Rate) 是指每秒传输的符号 (Symbol) 数。

在 UART 中，一个符号 = 1 位 (bit)，所以波特率 = 每秒传输的比特数 (bps)。

波特率 = 9600 表示每秒传输 9600 位 (包括起始位、数据位、校验位、停止位)。注意：波特率 ≠ 实际有效数据速率，因为一帧除了数据位，还有控制位。

例如：8N1 格式 (8 数据位、无校验、1 停止位)，则每帧每帧有 10 位 (1+8+1)。

如果波特率为 9600 bps，则：

 字节/秒

即每秒能传输约 960 字节 (≈1KB/s)。

3.1 TLL 电平

3.1.1 简介

TTL = Transistor–Transistor Logic (晶体管-晶体管逻辑)。它是一种数字逻辑电路的电平标准，规定了高电平和低电平。

常见使用于 USB-TTL 模块、MCU 串口、蓝牙串口模块等，大部分 STM32/Arduino 等都使用 TTL/CMOS 电平标准。

3.1.2 连线

共有四根引线：

引脚	名称	方向（相对主机）	功能
TXD	Transmit Data	主机输出 → 设备输入	数据发送
RXD	Receive Data	主机输入 ← 设备输出	数据接收
GND	Ground	共地	通讯参考电平
VCC	电源	输出/输入	给设备供电 (3.3V/5V)

接线定义如下：

3.1.3 拓扑结构

通常TLL 通讯的 UART 就是一对一的，所以没有拓扑结构。

3.1.4 电气规范

TLL 所规定的电平范围如下：

状态	输入电压范围	输出电压范围	说明
逻辑 0 (低电平)	0V ～ 0.8V	0V ～ 0.4V	低电平最大 0.8V，输入低于此值被认为是逻辑 0
逻辑 1 (高电平)	2.0V ～ 5.0V	2.4V ～ 5.0V	高电平最小 2.4V，输入高于 2V 认为是逻辑 1
不确定区	0.8V ～ 2.0V	——	信号在此区间逻辑状态不确定

3.2 RS-485

3.2.1 简介

RS-485 是一种差分串行通信标准，不是协议。它只规定电气层 (电压 / 布线 / 抗干扰能力)，不规定数据格式。常用于工业、楼宇、仪表等多节点可靠通讯。其收发共用一对差分线。

3.2.2 连线

详细定义如下：

引脚	名称	方向（相对主机）	功能说明
A / D+	RS-485 A（正线）	双向	差分线 + （有些厂商叫 D+ / Data+）
B / D-	RS-485 B（负线）	双向	差分线 - （有些厂商叫 D- / Data-）
GND	Signal Ground	共地	通讯参考地（强烈建议接）

 MCU 不能直接驱动 RS-485 波形，所以需要一个 485 转换芯片：

3.2.3 拓扑结构

RS-485 支持 最多 32 个节点（新版芯片可到 128 或 256 节点）。

下图是 485 总线的拓扑结构：

比较特殊的同步 485 拓扑结构，收发使用不同的线，比较少见。

3.2.4 电气规范

RS-485 所规定的电平范围如下：

状态	差分电压	电压关系
逻辑 1 (低电平)		A 高于 B
逻辑 0 (高电平)		B 高于 A

3.2 RS-232

3.2.1 简介

RS-232 是一种串行通信的电气标准（不是协议）。单端、一对一、短距离的传统串口标准，常见于电脑和工控机。

3.2.2 连线

RS-232 有一个标准插头。

其接线定义如下：

详细定义如下：

引脚号	信号名称	方向（相对 DTE/主机）	功能说明
1	DCD (Data Carrier Detect)	输入	调制解调器载波检测
2	RXD (Receive Data)	输入	接收数据
3	TXD (Transmit Data)	输出	发送数据
4	DTR (Data Terminal Ready)	输出	终端就绪信号
5	GND (Signal Ground)	—	公共地
6	DSR (Data Set Ready)	输入	调制解调器就绪信号
7	RTS (Request To Send)	输出	请求发送控制
8	CTS (Clear To Send)	输入	清除发送控制
9	RI (Ring Indicator)	输入	来电指示（电话/调制解调器）

大多数 MCU / 工业设备只用 3 根核心线：

引脚	信号	方向	功能
2	RXD	输入	接收数据
3	TXD	输出	发送数据
5	GND	—	公共地

3.2.3 电气规范

RS-232 所规定的电平范围如下：

状态	电压范围 (V)	逻辑	说明
逻辑 1 (低电平)	–3V ~ –15V	逻辑 1	线路空闲时一般为 Mark (负电压)
逻辑 0 (高电平)	+3V ~ +15V	逻辑 0	RS-232 的逻辑 0 是正电压
不确定区	–3V ~ +3V	未定义	接收端可能误判，不允许长期停留

3.3 RS-422

3.3.1 简介

RS-422 是一种差分串行通信电气标准，介于 RS-232 与 RS-485 之间。RS-422 是一种全双工差分串口，抗干扰强、距离远，比 RS-232 强，比 RS-485 简单。

3.3.1 连线

共有五根引线：

引脚	名称	方向（相对主机）	功能
TX+	Transmit Data +	主机输出 → 设备接收	差分正端，发送数据
TX–	Transmit Data –	主机输出 → 设备接收	差分负端，发送数据
RX+	Receive Data +	主机接收 ← 设备发送	差分正端，接收数据
RX–	Receive Data –	主机接收 ← 设备发送	差分负端，接收数据
GND	Ground	共地	通讯参考电平

MCU 不具有直接发送 RS-422 的能力，需要一个收发芯片：

3.2.3 电气属性

RS-422 所规定的电平范围如下：

状态	差分电压	逻辑	说明
逻辑 1	≥ +0.2 V	正端电压高于负端	表示逻辑 1
逻辑 0	≤ –0.2 V	正端电压低于负端	表示逻辑 0
不确定区	–0.2 V ~ +0.2 V	未定义	接收端可能误判，不允许长期停留

3.4 物理层定义总结

项目	TTL	RS-232	RS-422	RS-485
信号类型	单端 (对地)	单端 (对地)	差分	差分
逻辑定义	高=1，低=0 (正逻辑)	高=0，低=1 (反逻辑)	A>B→1 (正逻辑）	A>B→1 (正逻辑)
典型电平范围	0 V～5 V (或 3.3 V)	±3 V～±15 V	±2 V (差分）	±1.5 V (差分)
信号线数	TX、RX、GND	9 根或和 TLL 一样	4 线 (A±、B±)	2 线 (A±、B±)
通信方向	单向	全双工	单向 (1发多收）	可多主多从 (半/全双工)
最大节点数	1 发 1 收	1 发 1 收	1 发 10 收	≤32 节点 (典型)
典型距离	≤1 m	≤15 m	≤1200 m	≤1200 m
抗干扰能力	弱	一般	强	很强
是否需接地	必须共地	必须共地	建议共地 (参考地)	建议共地 (参考地)
终端电阻	无	无	需要 (≈120 Ω)	需要 (≈120 Ω)

四、应用层

4.1 什么是应用层

OSI 模型中的应用层 (Application Layer) 是第七层，也是最靠近用户的一层。它直接为用户应用程序提供网络服务，是网络通信的最上层接口。

应用层的主要作用是：

• 为用户或软件提供网络访问接口
• 定义应用程序之间如何通信
• 规定数据格式、消息结构、命令集等

其中UART 通讯的协议通常规定 帧头、地址 (如果是一对多通讯)、长度、字段、命令字、校验方式、 DATA校验、数据的小端 / 大端等。

4.1 一对一通讯

4.1.1 示例的通讯协议

距离一个通讯协议，我们规定协议如下：

协议版本：1.0
串口参数：115200 8N1

帧头：AA 55
长度：LEN = CMD + DATA 字节数
命令：见命令表
校验：Modbus CRC16 (低字节先传)

其中帧格式如下：

HEAD1	HEAD2	LEN	CMD	DATA	CRC_L	CRC_H
0xAA	0x55	数据长度	命令字	数据区	CRC16 低字节	CRC16 高字节

规定命令字如下：

0x01	0x02	0x03	0x10	0x11	0x12	0x13	0x20	0x21	0x22	0x23
读寄存器	写单寄存器	写多寄存器	设置目标转速	设置 ID 电流	设置 IQ 电流	设置角度偏移	读取状态	读取速度反馈	读取电流反馈	读取母线电压

4.1.2 报文举例

设置电机速度为 1500 rpm (CMD=0x10)

AA 55 03 10 05 DC B8 4E   // CRC16示例

设置 IQ = 2000 (CMD = 0x12)

AA 55 03 12 D0 07 92 0B

设置角度偏移 = -300 (CMD = 0x13)

AA 55 03 13 D4 FE 85 E0

读取速度反馈（CMD = 0x21）

AA 55 01 21 6C 60            //主控发送
AA 55 03 21 B0 04 3C B4      //电机回传 1200prm = 0x04B0（B0 04）

4.2 一对多通讯

刚才我们的协议是一对一的，下面我们设计一个一主机多从机案例。其从机不能主动发送消息，主机发送后从机应答。

协议版本：1.1
串口参数：115200 8N1

帧头：AA 55
长度：LEN = CMD + DATA 字节数
命令：见命令表
校验：Modbus CRC16 (低字节先传)

-------------------------------------------多从机扩展内容-----------------------------------

拓扑：RS-485 半双工 (主机轮询，从机仅在收到主机命令且地址匹配时应答)

单播：ADDR = 从机地址 (例如 0x05)

广播：ADDR = 0xFF，所有从机执行但不回复 (避免总线上多从机同时应答冲突)

主机地址通常不用，但可保留 (ADDR=0x00 表示 Maste)

其中帧格式如下：

字段名	HEAD1	HEAD2	ADDR	LEN	CMD	DATA	CRC_L	CRC_H
含义	帧头 0xAA	帧头 0x55	从机地址	数据长度	命令字	数据区	CRC16 低字节	CRC16 高字节

规定命令字如下：

0x01	0x02	0x03	0x10	0x11	0x12	0x13	0x20	0x21	0x22	0x23
读寄存器	写单寄存器	写多寄存器	设置目标转速	设置 ID 电流	设置 IQ 电流	设置角度偏移	读取状态	读取速度反馈	读取电流反馈	读取母线电压

4.2.1 报文举例

主 -> 从机 0x05：设置转速 = 1500 rpm (CMD=0x10)：

AA 55 05 03 10 DC 05 48 4D

主 -> 从机 0x05：读取速度 (CMD=0x21)

从机 0x05 -> 主：回复速度 = 1200 rpm (200 = 0x04B0 小端 B0 04)：

AA 55 05 01 21 FC 5D            //主 -> 从机
AA 55 05 03 21 B0 04 F5 42      //从机 0x05 -> 主

广播 -> 所有从机 (ADDR=0xFF)：设置转速 = 1500 rpm（从机执行但不回复)：

AA 55 FF 03 10 DC 05 90 59