[STM32] 10. UART, USART 동작 원리 설명

UART/USART 설명

📌 1. UART (Universal Asynchronous Receiver/Transmitter) 란?

UART는 Universal Asynchronous Receiver/Transmitter의 약자로, 직렬 통신을 위한 하드웨어 프로토콜이다. UART는 데이터를 두 개의 핀, 송신(Tx)과 수신(Rx)을 통해 비동기적으로 전송한다. 비동기식 통신이란 송신 측과 수신 측 간의 동기화를 위해 별도의 클럭 신호가 필요하지 않은 통신 방식을 의미한다. 보통 기본 C언어에서 printf를 구현할 때 많이들 소개하므로 기본적인 동작을 알아두면 좋다.

기본 UART 회로 구성

📌 2. UART의 기본 작동 원리

• 비동기 통신: 별도의 클럭 신호 없이 송신기와 수신기가 동일한 전송 속도(baud rate)로 설정되어야 한다.
• 전송 속도(Baud Rate): 일반적으로 9600, 19200, 38400, 57600, 115200 baud 등이 사용된다.
• 단방향 또는 양방향 통신: UART는 반이중(half-duplex) 또는 전이중(full-duplex) 통신을 지원한다.
• 단순한 배선: 데이터 전송을 위해 두 개의 핀만 필요하다.

비동기 통신을 이용할 때 전송 속도에 따른 비트를 구분하는 타이밍 문제

📌 3.  보안 고려사항

많은 산업용 시스템에서 UART 포트는 디버깅 및 유지보수를 위해 사용되지만, 보안 취약점을 막기 위해 다음과 같은 조치를 취하는 경우가 많다.

• 디버깅 포트 비활성화: 제품 출하 시, 디버깅 포트를 비활성화하거나 제거한다.
• 펌웨어 보안: UART를 통한 펌웨어 업데이트 시, 디지털 서명 및 암호화된 펌웨어를 사용한다.
• 네트워크 방화벽: 네트워크 연결된 UART의 경우, 방화벽을 설정하여 불법 접근을 방지한다.

📌 4.  USART (Universal Synchronous/Asynchronous Receiver/Transmitter) 란?

USART는 Universal Synchronous/Asynchronous Receiver/Transmitter의 약자로, 비동기 통신(UART)와 다르게  동기 통신을 지원하는 직렬 통신 인터페이스이다. USART는 클럭 신호를 사용하여 송신기와 수신기를 동기화함으로써 더 빠르고 안정적인 데이터 전송을 제공한다.

동기 통신에서는 데이터 전송을 위해 추가적인 클럭 신호를 사용한다. USART는 송신기와 수신기 간의 클럭 신호를 통해 정확한 타이밍으로 데이터를 전송하고 수신할 수 있다.

• 동기/비동기 통신 지원: USART는 클럭 신호를 사용한 동기 통신과 클럭 신호 없이 데이터 전송 속도(baud rate)로 설정된 비동기 통신(UART)을 모두 지원한다.
• 더 빠른 전송 속도: 동기 통신에서는 클럭 신호를 사용하여 데이터 전송이 이루어지므로, 비동기 통신보다 더 빠르고 안정적인 데이터 전송이 가능하다.
• Full-duplex  통신: 동기 모드에서는 송신과 수신이 동시에 이루어질 수 있다.
• 클럭 신호 라인: 동기 통신에서는 추가적인 클럭 신호 라인(예: SCLK)이 필요하다.

CLOCK 선을 통한 동기 방식

📌 5. 동기 통신의 장단점

⚙️ 장점

• 높은 전송 속도: 클럭 신호를 사용하여 더 높은 데이터 전송 속도를 구현할 수 있다.
• 안정성: 클럭 신호에 의해 동기화되므로 데이터 전송의 안정성이 높다.
• 노이즈 저항성: 동기화된 클럭 신호로 인해 외부 노이즈에 강하다.

⚙️ 단점

• 복잡성: 추가적인 클럭 신호 라인이 필요하여 배선이 복잡해질 수 있다.
• 하드웨어 요구 사항: 클럭 신호 생성 및 처리를 위한 추가적인 하드웨어가 필요하다.

📌 6. UART와 USART 비교

• UART: 클럭 신호 없이 비동기 통신만 지원.
• USART: 클럭 신호를 사용한 동기 통신과 클럭 신호 없이 비동기 통신을 모두 지원.
• USART는 동기 통신의 장점을 살려 더 높은 전송 속도와 안정성을 제공하며, 다양한 산업용 애플리케이션에서 널리 사용된다. 반면, 단순한 배선과 구현의 용이성을 원한다면 UART가 더 적합할 수 있다.