UART - Universal Asynchronous Receiver / Transmitter

UART can be seen everywhere in your life

1. Prologue

Concept of UART

1.1. Introduce UART

UART 는 1960년에 Gordon Bell at Digital Equipment Corporation에 의해 개발된 비동기식 범용 통신 프로토콜. Universal은 데이터 포맷, 통신 속도가 설정 가능하다는 의미, 전송과 수신이 순차적으로 동작하는 특성(Async) 때문에 UART라는 이름을 가지게 되었다. UART는 초기 Gordon Bell의 PDP-1 Computer에 teletype장비를 연결하기 위해 개발되었음. 이러한 디자인 아이디어는 큰 인기를 얻게 되었고, Western Digital에서 최초로 UART 단일 칩셋인 WD1402A를 출시하게 되었으며, 현재까지 다양한 UART장비와 칩셋들이 출시되고 있음. 최초의 UART chip WD1402A (출처 - ieee Chip Hall of Fame: Western Digital WD1402A UARTs)

특징

UART 회로도 구성 (출처 - analog.com)

UART 프레임 구성 (출처 - analog.com)

UART는 비동기식, 1대1 방식의 시리얼 통신 버스이다. 각 칩은 데이터 통신을 위해 TX/RX 라인을 고유하게 가지고 있어 각각 통신 상대방의 RX/TX에 교차되어 연결된다. 데이터 통신은 기본적으로 데이터 비트 5~8비트의 통신을 주로 수행하며, 특정 경우에 따라 패리티 비트까지 영역을 확장시킨 9비트 데이터 통신을 수행하는 경우도 있음. 일반적으로 매 통신 프레임은 아래의 그림과 같이 start bit, data frame, parity bit, stop bit를 포함한다. (각 칩 구현 사양 등에 따라 달라질 수 있음.) UART의 특징은 아래의 표와 같이 간단하게 정리할 수 있다.

주요 특징 요약

• 비동기식 통신: 클럭 신호 없이 송신자와 수신자가 동일한 보드레이트로 데이터를 주고받음.
• 직렬 통신: 데이터가 비트 단위로 직렬 전송됨.
• 양방향 통신: Full-duplex 모드를 지원하여 송신과 수신이 동시에 가능함.

장/단점

UART 통신은 아래와 같은 장/단점을 가짐.

장점

• 간단한 구현: 별도의 클럭 신호가 필요 없어 회로 구현이 간단합니다.
• 낮은 비용: 추가적인 하드웨어가 필요 없어서 비용이 저렴합니다.
• 유연성: 다양한 보드레이트와 데이터 형식을 지원합니다.

단점

• 짧은 전송 거리: 전송 거리가 타 통신 방식 대비 짧음.(TTL의 경우 1m 이내 권장)
• 속도 제한: 동기식 통신 방식보다 전송 속도가 낮음.
• 오버헤드: 동기화와 오류 검출을 위해 추가적인 비트가 필요함.

상기와 같이 구현이 간단하고 비용이 낮은 특성 덕분에 UART는 아래와 같은 응용에서 주로 사용된다.

• Micom 간 통신 혹은 디버깅용 인터페이스
• 통신 모듈(USB to Serial, Bluetooh, Wifi 모듈 등)
• PLC 통신
• 로봇 컨트롤러 등

동작 구조

Physical Layer

UART 회로도 구성 (출처 - analog.com)

UART 통신의 물리적 계층은 TX (Transmit)와 RX (Receive) 두 개의 라인으로 구성됨. 데이터는 TX 라인을 통해 송신되고, RX 라인을 통해 수신됨. 이러한 단순한 구성 덕분에 UART는 다양한 응용 분야에서 쉽게 구현할 수 있음.

기본 통신 방식

UART 프레임 구성 (출처 - analog.com)

UART는 비동기식 통신 방식으로, 송신자와 수신자가 동일한 보드레이트로 데이터를 주고받음. 데이터 전송 시 시작 비트, 데이터 비트, 패리티 비트(옵션), 정지 비트 순으로 전송됨.

1. 시작 비트 (Start Bit): 데이터 전송의 시작을 알리는 비트로, 항상 0임.
2. 데이터 비트 (Data Bits): 실제 전송되는 데이터 비트로, 5~9비트로 구성될 수 있음.
3. 패리티 비트 (Parity Bit): 오류 검출을 위한 비트로, optinal함.
4. 정지 비트 (Stop Bit): 데이터 전송의 종료를 알리는 비트로, 1비트 또는 2비트로 설정할 수 있음.

2. Bring-up

2.1. Hardware Scheme

2.2. Simple Example of UART

예제 코드

• UART는 단순한 HW 구성, 프레임 구성 만큼이나 소스코드의 구현도 간단함.
• Infineon TC275 마이크로컨트롤러를 사용하여 UART 통신을 설정하는 과정은 다음과 같음:

1. 보드레이트 설정: 원하는 보드레이트에 맞게 UART 모듈의 클럭을 설정함.
2. 데이터 형식 설정: 데이터 비트, 패리티 비트, 정지 비트를 설정함.
3. 송신/수신 활성화: UART 모듈의 송신(TX)과 수신(RX) 기능을 활성화함.

```c #include #include #include

// UART 모듈 초기화 void init_UART(void) { // UART 모듈 설정 IfxAsclin_Asc_Config ascConfig; IfxAsclin_Asc_initModuleConfig(&ascConfig, &MODULE_ASCLIN0);

// 보드레이트 설정 (9600bps)
ascConfig.baudrate.prescaler = 1;
ascConfig.baudrate.baudrate = 9600;
ascConfig.baudrate.oversampling = IfxAsclin_OversamplingFactor_16;

// 데이터 형식 설정 (8비트 데이터, 1비트 정지)
ascConfig.frame.dataLength = IfxAsclin_DataLength_8;
ascConfig.frame.stopBit = IfxAsclin_StopBit_1;

// 모듈 초기화
IfxAsclin_Asc_initModule(&asc, &ascConfig); }

// 데이터 송신 함수 void send_UART(char data) { while (data) { // 데이터 송신 IfxAsclin_Asc_blockingWrite(&asc, *data++); } }

int main(void) { // UART 초기화 init_UART();

// 데이터 송신
char message[] = "Hello, UART!";
send_UART(message);

while(1) {}
return 0; }