在嵌入式系統(tǒng)和微控制器開(kāi)發(fā)中，串行通信是一個(gè)非常關(guān)鍵的概念，涉及到不同設(shè)備之間的數(shù)據(jù)傳輸。常見(jiàn)的串行通信協(xié)議包括UART（Universal Asynchronous Receiver/Transmitter）和USART（Universal Synchronous/Asynchronous Receiver/Transmitter）。它們看似相似，但在具體功能和應(yīng)用場(chǎng)景上有明顯的區(qū)別。

1. 通信模式：異步與同步

首先，理解UART和USART之間最根本的區(qū)別在于它們支持的通信模式。

• UART（通用異步收發(fā)器）僅支持異步通信。這意味著數(shù)據(jù)傳輸時(shí)，發(fā)送方和接收方并不共享時(shí)鐘信號(hào)。它們通過(guò)設(shè)定一致的波特率來(lái)保持通信的同步性。雖然這種方式簡(jiǎn)化了通信線路，但波特率的偏差可能導(dǎo)致數(shù)據(jù)傳輸錯(cuò)誤。

• USART（通用同步/異步收發(fā)器）支持兩種模式：異步通信和同步通信。與UART的異步模式相同，USART也可以不使用時(shí)鐘信號(hào)傳輸數(shù)據(jù)。但它的特別之處在于，它還支持同步模式，此時(shí)，發(fā)送端和接收端通過(guò)共享同一時(shí)鐘信號(hào)來(lái)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)同步。同步通信能夠大幅提高傳輸速度，并減少波特率差異帶來(lái)的錯(cuò)誤。

2. 幀結(jié)構(gòu)與數(shù)據(jù)傳輸

UART的數(shù)據(jù)傳輸是基于幀（Frame）的。每一幀包含：

• 起始位：用于通知接收端即將開(kāi)始的通信。
• 數(shù)據(jù)位：通常為8位或9位。
• 校驗(yàn)位（可選）：用于數(shù)據(jù)校驗(yàn)，保證數(shù)據(jù)完整性。
• 停止位：用于通知接收端數(shù)據(jù)幀傳輸?shù)慕Y(jié)束。

USART異步模式與UART類似，數(shù)據(jù)以幀的形式傳輸，采用相同的幀結(jié)構(gòu)。區(qū)別在于USART同步模式下，數(shù)據(jù)傳輸可以不依賴起始位和停止位，而是依賴時(shí)鐘信號(hào)同步，這讓數(shù)據(jù)流更加連續(xù)，并且時(shí)序控制更加精確。

3. 時(shí)鐘信號(hào)的區(qū)別

UART完全依賴波特率來(lái)控制發(fā)送和接收的數(shù)據(jù)速率。雖然這減少了硬件需求（不需要時(shí)鐘信號(hào)線），但波特率必須嚴(yán)格匹配，否則可能出現(xiàn)同步問(wèn)題導(dǎo)致數(shù)據(jù)丟失。

USART在同步模式下則通過(guò)**共享時(shí)鐘信號(hào)（SCK）**來(lái)同步數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收。時(shí)鐘信號(hào)使得接收方可以準(zhǔn)確判斷何時(shí)讀取每一個(gè)比特，從而減少了由于波特率不匹配而導(dǎo)致的傳輸錯(cuò)誤。此外，同步模式下，數(shù)據(jù)傳輸可以更高速且更加穩(wěn)定。

4. 引腳數(shù)量

一個(gè)重要的硬件層面差異是所需引腳數(shù)量：

• UART模式下，數(shù)據(jù)傳輸只需要兩條數(shù)據(jù)線：TX（發(fā)送）和RX（接收），外加接地線（GND）。

• USART在同步模式下則多了一條時(shí)鐘線（SCK），它負(fù)責(zé)發(fā)送同步信號(hào)給接收端。因此，USART同步模式需要三條數(shù)據(jù)線：TX、RX、SCK，加上接地線。

這意味著USART在同步模式下比UART需要更多的硬件資源，但也帶來(lái)了更高的傳輸速率和精確度。

5. 波特率的靈活性與通信速率

UART的波特率是由系統(tǒng)內(nèi)部的波特率生成器控制的，但如果發(fā)送端和接收端的波特率配置得不精確，可能會(huì)導(dǎo)致數(shù)據(jù)包不同步，尤其在高波特率下，這種問(wèn)題更加明顯。因此，UART通常適合中低速的通信場(chǎng)景。

USART的同步通信模式由于有時(shí)鐘信號(hào)的精確控制，可以實(shí)現(xiàn)更高的傳輸速率，且誤碼率相對(duì)更低。在許多高速、精確的數(shù)據(jù)傳輸場(chǎng)景中，USART的同步模式是一種理想的選擇。

6. 常見(jiàn)應(yīng)用場(chǎng)景

由于UART和USART的特性不同，它們也適用于不同的應(yīng)用場(chǎng)景。

• UART應(yīng)用場(chǎng)景：UART由于硬件簡(jiǎn)單、傳輸協(xié)議廣泛應(yīng)用，通常用于低速、簡(jiǎn)化的通信場(chǎng)景。例如：

  • 藍(lán)牙模塊與微控制器通信
  • GPS模塊與計(jì)算機(jī)之間的數(shù)據(jù)傳輸
  • 調(diào)制解調(diào)器（Modem）與計(jì)算機(jī)之間的串行通信

• USART應(yīng)用場(chǎng)景：USART的同步模式適合需要高帶寬和精確控制的場(chǎng)景，例如：

  • 高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)
  • 微控制器與其他高速外設(shè)之間的數(shù)據(jù)傳輸
  • 串行外設(shè)接口（SPI）通信中，USART也常用作同步通信的實(shí)現(xiàn)方式

7. 同步模式的優(yōu)勢(shì)與局限

USART同步模式雖然能顯著提高數(shù)據(jù)傳輸速率，但它也有一些局限性。例如，硬件上需要額外的時(shí)鐘信號(hào)引腳，在系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)需要增加連線和控制邏輯。此外，USART的同步模式在某些應(yīng)用中可能需要額外的時(shí)鐘管理器（Clock Manager）來(lái)確保時(shí)鐘信號(hào)的穩(wěn)定。

總結(jié)：如何選擇UART與USART

在選擇UART或USART時(shí)，應(yīng)該首先考慮你的應(yīng)用場(chǎng)景的具體需求：

• 如果你的系統(tǒng)中不需要高精度的時(shí)鐘同步，且通信速率要求不高，UART將是一個(gè)更簡(jiǎn)單且更實(shí)用的選擇。
• 如果你的應(yīng)用需要更高的傳輸速率，并且系統(tǒng)能夠支持時(shí)鐘信號(hào)的額外硬件成本，那么USART的同步模式將為你提供更高效、更精確的數(shù)據(jù)傳輸。