USART和UART有什么区别

  USARTUART是两种常见的串行通信协议,它们在功能、通信模式和应用场景上存在显著区别。

  一、 USART和UART的功能区别

  1. 通信模式

  •   UART(通用异步收发传输器)仅支持异步通信模式。
  •   USART(通用同步/异步收发传输器)不仅支持异步通信,还支持同步通信。这意味着USART可以像SPI一样工作,适用于需要同步通信的场景。

  2. 数据传输速度

  •   USART的数据传输速度通常比UART更快,因为它可以使用更高的波特率进行数据传输,并且不需要起始位和停止位。
  •   UART的速度相对较低,通常用于低速串行通信场景。

  3. 硬件要求和复杂性

  USART比UART更复杂,因为它需要更多的控制选项,如硬件流控制和双向通信。

  •   UART的硬件连接相对简单,通常使用三根线:TX(发送端)、RX(接收端)和地线(GND)。
  •   USART则需要额外的时钟信号线(XCK),并且在某些情况下还需要方向信号线(XDIR)。

  4. 应用场景

  •   USART适用于高性能通信系统,能够处理复杂的通信协议和高数据传输速率的应用场景。
  •   UART则广泛应用于成本和功耗较低的场景,如传感器、EEPROM和LCD等外设的连接。

  5. 其他特性

  •   USART可以支持多种数据传输模式,如8位数据、9位数据、停止位、校验位等,可以根据应用程序的需求来设置不同的传输模式。
  •   UART通常用于简单的串行通信任务,适合于不需要同步通信的场景。

  USART和UART的主要区别在于通信模式、数据传输速度、硬件要求和复杂性以及应用场景。USART提供了更灵活的通信模式和更高的数据传输速率,适用于复杂的通信系统,而UART则适用于低速串行通信场景,硬件连接相对简单。

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  二、 USART和UART在不同应用场景下的性能比较

  在不同应用场景下,USART和UART的性能比较如下:

  1. 通用性和灵活性

  •   UART:UART(Universal Asynchronous Receiver/Transmitter)是一种常见的串行通信协议,主要用于在计算机和外部设备之间传输数据。它通过数据位、奇偶校验位和停止位来确定数据帧的格式,实现异步通信。UART的应用场景非常广泛,包括计算机与外设设备之间的通信(如打印机、硬盘、鼠标、键盘等),嵌入式系统内部和外部的通信,以及工业自动化等领域。
  •   USART:USART(Universal Synchronous Asynchronous Receiver/Transmitter)提供了一种灵活的方法来与使用工业标准NRZ异步串行数据格式的外部设备之间进行全双工数据交换。它利用分数波特率发生器提供宽范围的波特率选择,支持同步单向通信和半双工单线通信,并且支持多种协议如LIN、智能卡协议、IrDA规范以及调制解调器操作。USART还支持多处理器通信和使用DMA方式实现高速数据通信。

  2. 应用场景

  •   UART:UART常用于计算机与外设设备之间的通信,嵌入式系统内部和外部的通信,工业自动化系统,以及各种物联网设备中的数据传输和调试信息输出。
  •   USART:USART广泛应用于需要高灵活性和高性能的场景,如多处理器通信、高速数据通信、智能卡协议、LIN网络、红外数据传输等。
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  三、 UART和USART各有其特点和优势。

  如何根据硬件资源限制选择USART还是UART?

  在选择USART和UART时,硬件资源限制是一个重要的考虑因素。以下是如何根据硬件资源限制选择USART还是UART的详细分析:

  1. 成本和功耗

  •   UART通常在成本和功耗较低的场景下得到广泛应用。它仅需要发送(TX)和接收(RX)两个引脚,适用于简单的串行通信,如与传感器等设备的通讯。
  •   USART则提供了更灵活的通信模式,适用于高性能通信系统。它不仅可以实现异步收发,还可以实现同步收发,并且可以通过外部时钟源进行精确的时钟同步。

  2. 功能和灵活性

  •   如果只需要基本的异步传输功能,可以选择UART。它的设计相对简单,仅提供几个选项,例如停止位的数量以及偶数或奇数奇偶校验。
  •   如果需要更多功能和灵活性,比如多主机通信、同步通信等,可以选择USART。USART可以生成与许多不同协议兼容的数据流,并且可以通过外部时钟源进行精确的时钟同步。

  3. 硬件资源消耗

  •   UART由于其简单的结构,通常占用较少的硬件资源,适合资源受限的应用场景。
  •   USART虽然功能强大,但需要更多的硬件资源,包括额外的引脚用于时钟信号(CK),这可能会增加硬件设计的复杂性和成本。

  如果硬件资源有限,建议选择UART,因为它在成本和功耗方面更具优势,且只需较少的硬件资源即可满足基本的串行通信需求。

  四、 USART支持的数据传输模式与UART相比有何优势?

  USART(通用同步/异步收发传输器)支持的数据传输模式主要有两种:同步模式和异步模式。在同步模式下,发送器和接收器使用相同的时钟信号来同步数据传输;而在异步模式下,发送器和接收器使用不同的时钟信号,但需要保持相同的波特率。

  与UART相比,USART的优势主要体现在其支持同步通信功能。当进行异步通信时,USART和UART没有区别,但在同步通信方面,USART能够提供主动时钟,这意味着它可以在发送数据后等待接收方的响应再继续发送下一个数据包。此外,USART还支持多种通信协议,如LIN、智能卡协议、IrDA SIR ENDEC规范等。

  五、 USART和UART在实际项目的实现复杂性

  在实际项目中,USART和UART的实现复杂性对开发成本和时间有显著影响。

  •   开发速度:USART的开发速度较慢,这直接影响了项目的整体进度。此外,UART的设计和实现通常涉及专用芯片如8250或16450.这些芯片引脚较多且内含许多辅助功能,虽然可以提供完整的解决方案,但在实际使用时往往只需要基本功能,这会造成资源浪费和成本提高。
  •   程序可读性和维护复杂性:USART的程序可读性较差,维护也较为复杂,这增加了开发过程中的交流成本和后期维护的成本。
  •   硬件协议层的影响:对于一些需要处理射频、基带等硬件协议层的应用,如蓝牙HCI-UART主控制接口的FPGA设计与实现,开发方式复杂,开发周期加长,成本代价也高。
  •   波特率设置及影响因素:UART通信中的波特率设置及其影响因素也增加了开发的复杂度和成本。

  六、 高频通信USART和UART的能耗效率差异

  在高频通信中,USART和UART的能耗效率存在显著差异。UART在某些情况下可能会消耗更多的电力,因为它需要更多的电子元件来实现。然而,在使用低功耗模式(如休眠模式)时,UART和USART可以显著降低功耗,从而减少系统的运行成本。

  另一方面,STM32L0和STM32L4系列微控制器中的LPUART接口设计使得MCU仅需最小功耗即可工作,这表明在这些特定的应用场景中,LPUART具有极低的功耗优势。此外,LPUART可以在不占用CPU时间的情况下完成数据传输,进一步提高了其低功耗特性。

  虽然UART在某些情况下可能较高耗电,但在使用低功耗模式或特定的低功耗设计(如LPUART)时,其能耗效率可以得到显著改善。

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