주요 시리얼 통신 프로토콜 - 1. UART (Universal Asynchronous Receiver Transmitter)

1장: UART (Universal Asynchronous Receiver Transmitter)

UART는 비동기식 시리얼 통신 방식 중 하나로, 컴퓨터와 마이크로컨트롤러, 센서 등 다양한 장치 간 데이터를 주고받는 데 사용됩니다.
하드웨어 구성이 단순하고 널리 사용되지만, 속도나 연결 방식에 몇 가지 제한이 있습니다.
이번 장에서는 UART의 개념, 특징, 데이터 전송 방식, 장점과 단점, 실제 활용 사례를 자세히 알아보겠습니다.

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1. UART 개념과 특징

✅ UART란?

UART (Universal Asynchronous Receiver Transmitter)는 비동기식(Asynchronous) 시리얼 통신 방식으로,
클럭 신호 없이 데이터를 한 비트씩 순차적으로 전송하는 방식을 사용합니다.

📌 UART의 핵심 특징

• 비동기식 통신 방식 → 별도의 클럭 신호 없이 송신기와 수신기가 미리 정한 속도로 데이터를 주고받음
• 하드웨어적으로 단순한 구성 → TX(송신)과 RX(수신) 두 개의 핀만 사용하여 통신
• 1:1 연결 방식 → 하나의 송신 장치가 하나의 수신 장치와 직접 통신 (멀티 노드 통신 불가능)

📌 UART는 아두이노, 라즈베리파이, 블루투스 모듈, GPS 모듈, 센서 등에서 가장 널리 사용되는 통신 방식입니다.

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2. 비동기식 통신 방식 (클럭 없음)

UART는 비동기식 통신(Asynchronous Communication) 방식이므로,
SPI, I2C와 달리 공유 클럭 신호(Clock)가 필요하지 않습니다.

📌 비동기식 통신의 특징

• 송신기와 수신기가 동일한 전송 속도(Baud Rate)를 사용해야 함
• Start Bit와 Stop Bit을 사용하여 데이터의 시작과 끝을 구분
• 클럭 신호가 없으므로, 데이터를 보내기 전에 반드시 Baud Rate을 맞춰야 함

📌 UART 통신을 하기 위해서는 송신기(TX)와 수신기(RX)의 Baud Rate(보드레이트)이 동일해야 합니다.
📌 Baud Rate이 다르면 데이터가 정상적으로 해석되지 않습니다.

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3. TX (송신), RX (수신) 핀을 이용한 단순한 하드웨어 구성

📌 UART의 하드웨어 연결 방식

• TX (Transmit, 송신) → 데이터 전송 핀
• RX (Receive, 수신) → 데이터 수신 핀
• GND (Ground) → 신호 기준점 (필수)

📌 TX ↔ RX로 연결해야 한다!
💡 UART 통신을 할 때는 송신(TX)과 수신(RX) 핀을 교차 연결해야 정상적으로 동작합니다.

🛠️ 예제: 두 개의 장치를 UART로 연결하는 경우

[장치 1] TX ----> RX [장치 2]
[장치 1] RX <---- TX [장치 2]
[장치 1] GND ---- GND [장치 2]

📌 TX와 RX를 직접 연결하면 데이터가 송수신되지 않으므로 주의해야 합니다!

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4. Start Bit, Data Bits, Parity Bit, Stop Bit의 데이터 프레임 구조

UART는 **데이터 전송 시 특정한 형식(데이터 프레임 구조)**을 따릅니다.
보통 "8N1" 설정이 많이 사용되며, 이는 8비트 데이터, No Parity, 1 Stop Bit을 의미합니다.

📌 UART 데이터 프레임 (8N1 예제)

Start Bit  |  Data Bits  |  Parity Bit (선택)  |  Stop Bit
---------------------------------------------------------
   1       |     8       |         0          |     1   

📌 각 구성 요소 설명

• Start Bit (1비트)
  • 항상 0 (LOW) 값
  • 데이터가 시작됨을 알림
• Data Bits (5~9비트, 일반적으로 8비트 사용)
  • 실제 전송되는 데이터 (예: 'A' = 01000001)
• Parity Bit (0~1비트, 선택 사항)
  • 오류 검출을 위해 사용 (Even Parity / Odd Parity)
  • 대부분 사용하지 않음 (No Parity)
• Stop Bit (1~2비트, 일반적으로 1비트 사용)
  • 항상 1 (HIGH) 값
  • 데이터 전송이 종료됨을 알림

📌 Start Bit → 데이터 시작, Stop Bit → 데이터 종료, 중간에 실제 데이터가 포함됨

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5. UART의 장점과 단점

✅ UART의 장점

1. 하드웨어 구성이 간단 → TX, RX 핀만 있으면 통신 가능
2. 클럭 신호가 필요 없음 → 비동기식 방식으로 동작
3. 적은 핀으로 장치 간 통신 가능 → 단 2개의 데이터 선 사용
4. 널리 사용됨 → 거의 모든 마이크로컨트롤러 및 임베디드 시스템에서 지원

❌ UART의 단점

1. 속도가 상대적으로 느림 → SPI에 비해 전송 속도가 낮음 (수십 Kbps~수 Mbps)
2. 여러 장치 연결 어려움 → 멀티 노드 통신이 불가능 (1:1 연결만 가능)
3. Baud Rate이 맞지 않으면 데이터 손실 발생

📌 하드웨어가 간단하고 범용성이 뛰어나지만, 다수의 장치를 연결할 수 없다는 단점이 있음.

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6. UART의 사용 사례

UART는 컴퓨터와 마이크로컨트롤러 간 통신, 센서 데이터 전송, 무선 모듈 등에서 널리 사용됩니다.

🔹 PC와 마이크로컨트롤러 간 통신 (USB-UART 변환기)

• USB to UART 변환기 (FTDI, CH340, CP2102 등)를 사용하면
  PC와 마이크로컨트롤러 간 직접 시리얼 통신이 가능합니다.
• 아두이노(Arduino)와 라즈베리파이(Raspberry Pi)도 기본적으로 UART를 사용합니다.

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🔹 블루투스 모듈 (HC-05, HC-06)

• HC-05, HC-06 같은 블루투스 시리얼 모듈은 UART 프로토콜을 사용합니다.
• 마이크로컨트롤러와 연결하면 무선으로 데이터 전송이 가능합니다.

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🔹 GPS 모듈, 센서 데이터 전송

• GPS 모듈은 UART를 통해 현재 좌표 데이터를 전송합니다.
• 초음파 센서, 온도 센서 등의 데이터도 UART로 마이크로컨트롤러에 전달됩니다.

📌 UART는 컴퓨터-마이크로컨트롤러 연결, 무선 통신, 센서 데이터 전송 등에서 매우 널리 사용됩니다.

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📌 요약

✅ UART는 비동기식 통신 방식이며, 클럭 신호 없이 데이터를 송수신하는 방식
✅ TX(송신), RX(수신) 두 개의 핀을 사용하여 간단하게 통신 가능
✅ Start Bit, Stop Bit을 사용하여 데이터를 구분하며, Baud Rate이 맞아야 정상적으로 통신 가능
✅ PC-마이크로컨트롤러 연결, 블루투스 모듈, GPS 모듈 등에서 널리 사용됨

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