一、UART通信原理概述

1. 什么是UART？

UART（Universal Asynchronous Receiver Transmitter）即通用异步收发传输器，是一种点对点的全双工串行通信方式，采用异步机制（无时钟线），通过约定的格式与速率在两端之间传输数据。

2. UART通信的基本特性：

• 无时钟线（异步）：依赖起始位/停止位同步；

• 低成本、低速：适合短距离通信；

• 点对点通信：一对一（典型为 TX 与 RX）；

• 常见速率：9600bps、115200bps、1Mbps 等；

• 数据帧结构：

  scss复制编辑起始位(1位) + 数据位(5~8位) + 校验位(可选) + 停止位(1~2位)

二、UART工作流程与时序

1. 发送流程：

• CPU 将待发送数据写入 UART 的数据寄存器；

• UART 控制器将数据转为串行波形；

• 加入起始位、数据位、校验位、停止位后由 TX 引脚发出；

• 发送过程中，TX 空闲或忙碌由状态寄存器控制。

2. 接收流程：

• RX 引脚监听信号；

• 检测到起始位后触发同步；

• 采样数据位、校验位并组帧；

• 接收到的数据存入接收缓冲区，触发中断或轮询读取。

3. UART波形时序（以115200bps为例）：

• 每个bit时间约为 8.68μs；

• 精准波特率计算与时钟同步极为关键；

• 若时钟偏移>5%，将严重导致帧错误（Frame Error）。

三、UART通信中的常见面试问题解析

面试题1：UART 和 SPI/I²C 的区别？

面试题2：UART波特率不匹配会出现什么问题？

回答要点：

• 接收端采样错误，可能接收到乱码或无响应；

• 波特率误差超过±5%会造成严重通信失败；

• 解决方法包括：

• 使用晶振锁定频率；

• 调整 UART 分频器；

• 硬件支持自适应波特率（Auto-baud）。

面试题3：UART如何处理数据溢出？

两种缓冲机制：

• 硬件FIFO：如STM32自带16字节FIFO，自动缓存；

• 软件缓冲区：通过中断+环形队列缓存；

典型处理逻辑：

• 启用接收中断；

• 中断服务程序中将数据转存；

• 如果软缓冲区满，设置溢出标志，丢弃或覆盖；

答题建议：突出中断配合环形队列机制，防止数据丢失。

面试题4：UART接收数据时丢帧怎么办？

可能原因：

• 接收中断处理不及时 → 优化中断优先级；

• 缓冲区太小 → 加大软件环形缓冲；

• 波特率不匹配 → 确保晶振精度；

• 帧格式配置错误（如奇偶校验）→ 双方保持一致。

面试题5：什么是RS232/TTL电平？UART兼容吗？

1. 串口调试信息输出

开发中最常见的用途，用于：

• 打印日志信息；

• 输出错误码、状态码；

• 与PC上串口助手交互。

2. 与外设通信（蓝牙、GPS、4G模组等）

通过AT指令方式与模组交互，需：

• 严格波特率匹配；

• 控制RTS/CTS流控（防止溢出）；

• 配合DMA传输提升效率。

3. Bootloader串口烧录

如 STM32 使用 USARTx 端口进行 ISP 烧录，可通过串口进行固件更新。

五、高级应用：DMA与UART联合使用（面试加分项）

问题：为什么使用DMA传输UART数据？

• 避免CPU频繁处理中断；

• 高速稳定接收数据；

• 与环形缓冲结合提高吞吐量；

典型配置流程：

1. 开启DMA通道；

2. 配置UART为DMA模式；

3. 设置接收缓冲长度与起始地址；

4. 结合空闲中断（IDLE）判断帧尾；

5. 回调函数处理数据并复用缓冲。

面试关键点：答题时强调效率优化、CPU占用率降低与实时性保障。

六、总结与面试应对建议

UART虽然属于基础通信接口，但其涉及的细节却直接影响到嵌入式系统的稳定性与可靠性。掌握UART通信原理、配置技巧以及异常处理方式，不仅是项目实战的需要，也是多数嵌入式面试的“必考题”。

答题建议：

• 结构清晰：分“机制、配置、问题、解决”展开；

• 举例恰当：可结合 STM32 或 51 实例；

• 突出逻辑：如用中断/环形缓冲/DMA解决数据丢失；

• 结合项目经验：描述你在项目中用UART与哪些设备通信，怎样做流控等。