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【說文解字】認識UART通用非同步收發器

作者:陸向陽

USB to UART connector

USB to UART connector

在創客、自造者領域經常會聽到一個詞叫USB-to-UART(USB轉UART),USB就是大家熟知的USB埠、USB介面,但UART是什麼呢?這其實是有淵源歷史的。

UART全稱是Universal Asynchronous Receiver/Transmitter,這個詞中的第一個關鍵是Asynchronous(非同步),相對於這個詞的是Synchronous(同步)。

所謂同步,其實是介面中的資料傳輸線路,都依據同一條時脈線路的信號來動作,例如I2C介面、SPI介面,而所謂的非同步,就是每條資料傳輸線路有自己的傳輸步調,不倚賴獨立的時脈線路,或根本沒有獨立的時脈線路,通常是將時脈信號埋藏在自己的傳輸封包中,規律性的每隔一段時間發出。

同步傳輸有I2C、SPI等,而非同步傳輸的介面也有很多,例如RS-232、RS-422、RS-485等,不同的非同步傳輸介面有不同的取向,例如RS-232追求實現方式簡單低廉,RS-422追求較長距離的傳輸,RS-485追求較多的裝置連接數目等。

由於RS-232/422/485等的傳輸本質相同,因此微控制器晶片商想出一個方式,在微控制器上只提供多種非同步傳輸的共通本質收發能力,而不同介面的差異則由不同的外部電路與軟體程式來實現。

如此,一個收發器電路可以規劃成RS-232,可以規劃成RS-422,也可以規劃成RS-485等,完全由取得微控器晶片的電子工程師來決定,不過同時間一個收發器電路只能扮演三者其一,無法三者兼備,也因為可以規劃成多種非同步傳輸介面,所以稱為Universal。

RS232連接埠

RS232連接埠

在上述的多種非同步串列傳輸介面中,其實個人電腦也取用其一,即取用了RS-232,在USB介面還沒出現前,個人電腦是用RS-232介面連接滑鼠或數據機的。RS-232的好處是簡單便宜,但傳輸率不高(早期最快為115.2kbps),且一個RS-232介面只能連接一個裝置,不像RS-422、RS-485可以同時連接多個裝置。

所以,一部個人電腦通常有兩個RS-232介面(也稱為COM埠,即通訊Communication;或稱串列埠Serial Port,因為當時的印表機埠為並列傳輸埠,串列成為一個相對詞),一個拿來接滑鼠,另一個空著不用,或空著的那個用來接數據機。

但是,USB介面發創後,個人電腦逐漸只提供USB埠,而廢除COM埠,但Arduino上的微控制器晶片沒有USB介面,只有UART介面(規劃成RS-232的一對一連接),因此個人電腦理論上無法連接Arduino。

為了讓PC能跟Arduino通訊傳輸,因此Arduino開發板上設置一個USB-to-UART晶片,該晶片可以把USB傳輸翻譯成UART傳輸,同時也能反向翻譯,使Arduino晶片能跟PC連通。

Arduino Pro透過USB to UART介面來對外連結或供電。

Arduino Pro透過USB to UART介面來對外連結或供電。

有了這個介面轉譯晶片後,再搭配上驅動程式,即可讓Windows將外接裝置認定成一個串列埠裝置,而Windows上原本支援COM埠的軟體(例如PuTTY),能夠用原本對COM埠的傳輸方式傳輸,但實際上卻轉成USB協定方式傳輸,一路傳到USB-to-UART晶片上時,才轉成原本的UART傳輸,並送入微控制器晶片內,反之亦然。

所以,有時候USB-to-UART也稱為USB-to-COM,Windows中的裝置管理員也是顯示COM埠,例如COM5、COM6等(用軟體模擬出的串列埠,硬體本質是USB),另外也有人稱為USB-to-TTL,其實也是類似意思,但TTL是指Transistor–Transistor Logic,是一種0、1邏輯信號準位的規範,嚴格而論在此用這個詞不太妥當,但也已約定成俗而慣用。

最後一提的是,有的微控制器晶片也允許規劃成同步與非同步收發電路,如此就稱為USART,S即同步,A則為前述的非同步,但同樣的,同一時間只能選擇同步或非同步其一,不能同時啟用。

當然,有的晶片同時有2個或2個以上的UART,就可以同時各別規劃、同時各別運用。

陸向陽

陸向陽

從電子科系畢業後,即以媒體人的角色繼續這段與「電子科技」的不解之緣。歷任電子技術專書作者、電子媒體記者、分析師等角色,並持續寫作不殆。近來投入Arduino、Raspberry Pi等開放硬體的研究與教程介紹。
陸向陽

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