【實作實驗室】最原始的通訊介面 — RS232與UART的差別

Posted By StrongPiLab on 8 月 18, 2019 in 實作派StrongPiLab, 教學文 | 1 comment

作者：實作派

開發單晶片程式時，通常都用 RS232 介面接到 PC 來做 debug，簡單好用又穩定，但晶片這端沒有 RS232 ，只有 UART，這樣要怎麼接呢？明明都是接到電腦的 COM port，電路圖內卻有人寫 UART ，也有人寫 RS232 ，這到底是怎麼回事？

RS232 序列埠

RS232 主要用在裝置之間的長距離傳輸，使用的電壓按標準如下所示：

Logic 1：傳送端 -5 V ~ -15 V / 接收端 -3 V ~ -15 V
Logic 0：傳送端 +5 V ~ +15 V / 接收端 +3 V ~ +15 V

其餘詳細規格請參考 Interface Circuits for TIA/EIA-232-F Design Note，裡面詳述了阻抗、線長計算方式與接頭各腳位訊號的動作細節等；在商用領域，從 ±5 V 到 ±15 V 都有；以 PC 來說，使用的電壓是 ±7.5 V，高低間的電壓差就是 15 V。

在早期的電腦主機板上，都有兩個 COM port，當年就是用它來接滑鼠與 PSTN Modem（電話線數據機）。你可能感到懷疑，但當時的滑鼠確實就是接 COM port，用電話線撥接純文字 BBS 站，大夥也是用得很開心呢！

RS232 connector（圖片來源：實作派提供）

RS232 有兩種接頭形狀，分別是 D-sub 9（簡稱DB-9）與 D-sub 25（簡稱DB-25），對於 pin 腳也有各自的定義，但是時間一久，各家廠商（除了 PC 外）就開始亂做一通，讓工程師們很困擾。

UART 序列埠

UART（Universal Asynchronous Receiver/Transmitter）是 IC 吐資料的對外管道，電壓最高就是 chip 自身的邏輯電壓，通常是 5 V 或 3.3 V。由於電壓低、速度慢，通常用在裝置內部電路板的對外溝通，也就是 debug；如果你想讓程式印出變數值，通常會呼叫 printf( ) 函式對吧，這時字串就會從 UART 的 TXD 跑出來。

UART 只是晶片內序列傳輸模組的通稱，Universal 表示是泛用型，你可以 config 它成為各種形式的序列埠，例如要不要 parity check、bit rate 要多少之類的。換言之，UART 只是稱呼，不是標準，因此沒有定義接頭形狀，接頭形式完全看個人方便而定。

另外有人會問，UART 裡的「非同步 Asynchronous」是什麼意思？不知您有無發現 RS232/UART 只用一條線來傳資料，所以它沒有額外的 clock，沒有 clock 輔助表示「接收端即便知道發射端的 bit rate，自身的資料取樣速度也無法完全與發射端相同」，因此稱為非同步，若是像 I2C/SPI 等傳輸介面是包含 clock 訊號的，就稱為「同步傳輸」。

Protocol 通訊協定

簡單來說，我們可以將 RS232 視為 UART 的高電壓版本，下圖的 MAX232 就是做轉電壓。用有學問一點的說法來講，RS232 定義了實體層，方便各種裝置彼此交換資料，而每個裝置中處理器裡面的 UART 模組，則負責資料收送的功能。

UART 與 RS232 的接線方塊圖（圖片來源：實作派提供）

要提醒各位的是，當兩個裝置相連時，電壓準位要相同，千萬別將 RS232 與 UART 相接，這可能會把 UART 打壞，也就是 chip 會壞掉。UART 與 RS232 最大的差別有兩個：

RS232 的 Vpp 電壓較高，有 6 V~30 V；UART 則是較低的 3.3 V 或 5 V
RS232 為負邏輯， UART 為正邏輯，因此兩者波形是反相的

兩者的通訊協定如下圖所示（以 PC 為例），事實上它本來還有定義 parity check bit，只不過通常在 debug 連線時，大家只是看看變數，而且我目前在 debug 上也還沒看過有人用過 parity，但還是建議大家在長距離大量的連續資料傳送時，用一下 parity 比較保險。

UART 與 RS232 的資料格式（圖片來源：實作派提供）

Idle

表示 Serial port 資料送完了，目前沒事做，正在等待下一筆資料中，UART level 固定在 H。

Start

將狀態反相，是送資料前的準備動作，這樣接收端才知道後面有資料要送，UART level 固定為 L。

D0~D7

送資料的順序是 D0 先送，D7 最後送，所以在示波器顯示的波形是 D0:D7，在判讀資料前記得先在腦中反序變成 D7:D0 再來判讀，也別忘了 RS232 是負邏輯喔！

Stop

資料送完後，要變成 Stop 狀態。Stop bit 很妙，我遇過 Stop bit 太短導致接收端誤判的情況（最短一個 bit，最長其實可以很長），由你決定。

實際上 Stop bit 本身可視為下個 bit 的 idle 狀態，因為兩個狀態其實一樣。邏輯上來說，你可以把 Stop state 經過 2 bit 後才視為 Idle，但實際上 D7 送完，接收器馬上就會準備接收下個 byte，除非你跟我一樣遇到兩光接收器，非得每個 byte 都間格一段時間，不然 stop bit 設定為 1 bit 應該就可以了。

實際波形

我把實際測量到的波形貼上，上方是 UART，下方是 RS232 ，大家解讀得出來是什麼 byte 嗎？這是 2 個byte 0x0D、0x0A，也就是鍵盤上的 Enter 鍵，按下去就會送出 2 個 byte。光是這個 Enter key，有時送 0x0A，有時送 0x0D、0x0A（這又可以寫另一篇專文了，希望各位都能順利解讀訊號）。

RS232 與 UART 的波形（圖片來源：實作派提供）

接頭定義與 flow control

RS232 在 PC 上的定義非常有規矩，一定都是 DB9 公接頭、第 3 pin 為 TXD、第 2 pin 為 RXD，但除了 PC，其他可以說是亂七八糟，DB9 的接頭有公有母，有些設備 TX 在 3 pin 、有些設備在 2 pin，所以在實務上我們經常需要各種 DB9 的公母轉接座，甚至有時候還需要 Null modem 轉接，而設備能否順利動作，端看你是否清楚雙方的 pin define，才能找到正確的接線方式。

RS232 除了 TX 與 RX 兩條資料線外，還有其他訊號線如 CTS、RTS、DTR、DSR 等，這些是用來作為傳送資料前的溝通，以免漏接資料。這個確認的動作叫做「交握 handshake」，主要用來做「流量控制 flow control」。

然而，handshake 的功能都不在晶片的 UART 模組中，因為 UART 只有 TX/RX 兩條線，其他 flow control 就需要用晶片內其他的 pin 來實作（全部做完會很花功夫，因此不難理解若只是要 debug 用，一般人不會想搞得那麼複雜）。

雖然現在已經沒人使用 PSTN modem 上網了，但這些技術仍然留在各種通訊協定裡，為了向過往的通訊技術致敬，這邊簡述一些 RS232 flow control 的 pin 腳。

RTS（Request to send；output）資料請求
CTS（Clear to send；input）準備發送資料

雙方的 RTS 與另一頭的 CTS 彼此是接在一起的，RTS 發送後，CTS 同時收到訊號，方便將資料送出。

下面這兩個 control pin，是存在於 PC 與 PSTN Modem 之間，主要用來確認 PC 或 Modem 是撥號還是斷線。要撥號之前，PC 先發 DTR 出去給 Modem，讓 Modem 知道 PC 準備好了；反過來說， PC 如果把 DTR 斷了，就表示通知 modem 要斷線了。