从零实现UART协议发送时序：8位数据位实战案例

从一个引脚开始：手搓UART发送时序，深入8位数据位的底层细节

你有没有遇到过这样的场景？MCU的硬件串口已经被Wi-Fi模块占了，但你还想把调试信息打印出来。没有现成的UART外设可用，怎么办？

别急——只要有一个GPIO，我们就能自己造一个UART。

这不是调用某个库函数，也不是配置寄存器，而是从最基础的电平变化出发，手动控制每一个bit的发送时机。这不仅是一种应急手段，更是一次对通信本质的深度理解之旅。

今天，我们就来“从零实现”一个标准的UART发送功能，聚焦最常见的8-N-1（8数据位、无校验、1位停止）格式，带你一步步构建出符合规范的串行波形，并通过实际代码验证其可行性。

UART不是魔法：它只是按时翻转的电平

很多人用过串口，也看过printf("Hello")输出到电脑终端，但很少有人真正“见过”这些字符是怎么离开芯片的。

UART本质上是一种异步串行协议，它的核心思想非常朴素：

没有共享时钟线，靠双方提前约定好“每比特持续多久”，然后按这个节奏一位一位地传。

所以，只要你能精确控制一个引脚在特定时间拉高或拉低，你就已经具备了实现UART的能力。

帧结构拆解：一帧数据长什么样？

以我们要实现的8-N-1配置为例，每一字节的数据被封装成如下格式的一帧信号：

[空闲] → [起始位(0)] [D0][D1][D2][D3][D4][D5][D6][D7] [停止位(1)] → [空闲]

• 起始位：固定为低电平，标志一帧开始；
• 数据位：共8位，最低有效位（LSB）先发；
• 停止位：固定为高电平，表示帧结束；
• 空闲状态：线路保持高电平，等待下一次传输。

比如你要发送字符'A'（ASCII码0x41，二进制01000001），在线路上的实际顺序是：

起始(0) → D0=1 → D1=0 → D2=0 → D3=0 → D4=0 → D5=0 → D6=1 → D7=0 → 停止(1)

注意！虽然是0x41，但由于 LSB 先发，第一位发的是 bit0 = 1，而不是最高位。

波特率怎么算？时间就是一切

既然没有时钟同步，那“每一位持续多长时间”就成了关键问题。

这就是波特率（Baud Rate）的作用。它定义了每秒传输的符号数。例如：

9600 bps ⇒ 每位持续时间为 $ \frac{1}{9600} \approx 104.17\,\mu s $

这意味着：
- 起始位要维持约 104μs 的低电平；
- 每个数据位也要精确延时 104μs；
- 停止位同样持续 104μs。

接收端通常会在每个位的中间时刻采样（比如第50~60μs之间），因此你的信号必须在这段时间内稳定有效。

✅经验法则：延时误差应小于 ±2%，否则可能造成误码。也就是说，在9600bps下，允许的最大偏差约为 ±2μs。

如何用GPIO模拟？四个步骤走完一帧

我们可以将整个发送过程分解为四个阶段，全部通过软件控制GPIO完成：

步骤1：进入空闲状态

默认情况下，TX引脚应保持高电平。这是协议规定的“空闲态”。

set_tx_pin(1); // 初始状态

步骤2：发出起始位（拉低）

告诉对方：“我要开始发数据了！” 方法很简单——把引脚拉低，持续一个位时间。

set_tx_pin(0); delay_us(104); // 9600bps 下近似值

步骤3：逐位发送数据（LSB优先）

接下来是重头戏：把字节中的每一位依次送出。

关键是右移 + 掩码提取：

for (int i = 0; i < 8; i++) { int bit = (data >> i) & 0x01; // 提取第i位（从LSB开始） set_tx_pin(bit); delay_us(104); }

这样就能确保低位先出。如果你写成(data << i)或者循环方向反了，结果就会完全错乱。

步骤4：发送停止位（拉高）

最后拉高引脚，维持一个位时间，标志帧结束。

set_tx_pin(1); delay_us(104);

至此，一个完整的字节就成功发送出去了！

完整代码实现：可移植的软件UART发送器

下面是一个简洁、清晰、可直接移植到大多数裸机环境的C语言实现模板：

#include <stdint.h> // ===== 用户配置区 ===== #define UART_TX_PIN PB0 // 使用的GPIO引脚（示例） #define BAUD_RATE 9600 // 波特率 #define BIT_TIME_US (1000000UL / BAUD_RATE) // 每位微秒数 // 平台相关函数声明（需用户实现） void set_tx_pin(int level); // 设置TX引脚电平 void delay_us(uint32_t us); // 微秒级延时 /** * @brief 发送一个字节（8-N-1格式） * @param data 要发送的8位数据 */ void uart_send_byte(uint8_t data) { // 1. 起始位：低电平 set_tx_pin(0); delay_us(BIT_TIME_US); // 2. 数据位：LSB先行 for (uint8_t i = 0; i < 8; i++) { uint8_t bit = (data >> i) & 0x01; set_tx_pin(bit); delay_us(BIT_TIME_US); } // 3. 停止位：高电平 set_tx_pin(1); delay_us(BIT_TIME_US); }

💡 小贴士：BIT_TIME_US使用整数除法会略微低估真实时间（如9600bps实际是104.166…μs）。若追求更高精度，可使用查表或浮点补偿，但在9600bps下影响不大。

延时函数怎么做？别让编译器优化掉你的努力

最简单的延时方式是NOP循环，但它极度依赖主频和编译器行为。

示例：基于NOP的粗略延时（AVR风格）

#define F_CPU 8000000UL // 主频8MHz void delay_us(uint32_t us) { // 粗略估算：每条nop约125ns（8MHz单周期指令） uint32_t nops = us * (F_CPU / 1000000UL) / 12; while (nops--) { __asm__ volatile ("nop"); } }

⚠️ 注意事项：
- 不同架构（ARM vs AVR）每条指令耗时不同；
- 编译器优化可能会合并或删除空循环；
- 更可靠的做法是使用SysTick定时器或DWT Cycle Counter（Cortex-M系列支持）获取精准计数。

推荐做法：使用硬件定时器或内联汇编锁定循环

对于Cortex-M处理器，可以借助DWT获取当前CPU周期数：

// Cortex-M7/DWT 精确延时（需使能DWT） void delay_us(uint32_t us) { uint32_t start = DWT->CYCCNT; uint32_t cycles = us * (SystemCoreClock / 1000000UL); while ((DWT->CYCCNT - start) < cycles); }

或者干脆用内联汇编“锁住”循环体，防止被优化：

__asm__ volatile ( "mov r0, %0\n" "1: \n" "subs r0, #1\n" "bhi 1b\n" : : "r" (count) : "r0", "cc" );

实战技巧：如何验证你真的发对了？

再完美的代码也需要实测验证。以下是几种有效的调试方法：

方法1：逻辑分析仪抓波形（强烈推荐）

将TX引脚接入逻辑分析仪，设置通道为UART解码模式，输入相同波特率，即可看到解析后的数据流。

你可以直观检查：
- 起始位是否正确？
- 数据位顺序是否为LSB先行？
- 停止位长度是否足够？
- 整体时序是否接近理论值？

方法2：接回串口助手看输出

通过USB转TTL模块（如CH340、CP2102）连接PC，打开串口调试工具（如PuTTY、Tera Term、Arduino Serial Monitor），设置相同波特率，观察是否能正确显示发送内容。

示例：连续发送"Hello\n"

const char *msg = "Hello\n"; while (*msg) { uart_send_byte(*msg++); }

如果屏幕上出现Hello，恭喜你，你的软串口工作了！

为什么需要软件模拟UART？三个典型应用场景

虽然现在大多数MCU都内置了多个硬件UART，但在某些情况下，软件模拟仍然是不可替代的选择：

场景1：引脚资源紧张 or 硬件UART不够用

像ATtiny系列、STM8S等低端MCU，往往只有一个甚至没有硬件串口。当你需要用串口调试Bootloader时，软件模拟几乎是唯一出路。

场景2：非标准协议定制

有些工业设备使用特殊格式，比如：
- 7数据位 + 2停止位
- 自定义波特率（如76800.5）
- 加密/扰码前缀帧

这些都无法用标准UART模块直接支持，只能靠软件灵活实现。

场景3：教学与逆向工程

让学生亲手写出一个uart_send_byte()函数，远比让他们调用HAL_UART_Transmit更有教育意义。
它强迫你思考：
- 什么是异步？
- 为什么要LSB先行？
- 时间精度为何如此重要？

这种“动手造轮子”的过程，正是通往嵌入式高手之路的必经阶段。

设计建议与避坑指南

🔧高级提示：
- 若需频繁发送，可考虑结合定时器中断实现非阻塞发送；
- 在RTOS中应封装为任务或队列机制，避免阻塞其他线程；
- 可预计算位序列查表法加速发送（适用于固定数据模式）；

写在最后：看见每一位的变化

当我们熟练使用各种高级框架、RTOS、MQTT协议栈的时候，很容易忘记——所有通信的本质，都是电平随时间的变化。

UART看似简单，却教会我们一个重要道理：

在数字世界里，时序即秩序，约定即语言。

你不需要多么复杂的算法，只需要在一个正确的时间点，把一个引脚拉到正确的电平，就能完成一次跨越设备的对话。

下次当你调用Serial.println()的时候，不妨停下来一秒，想象一下那个小小的引脚正在默默重复着：
“拉低 → 发8位 → 拉高 → 等待……”

那是最原始、最纯粹的沟通方式。

而你，已经掌握了它。

如果你也在做类似的底层开发，欢迎在评论区分享你的软串口实战经验，我们一起交流精进。