UART 통신 프로토콜 완벽 가이드

# UART 통신 프로토콜 완벽 가이드

> 임베디드 시스템에서 가장 널리 쓰이는 직렬 통신 방식. 배선이 단순하고 디버그 출력 용도로도 필수적이다.

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## UART란?

**UART(Universal Asynchronous Receiver/Transmitter)** 는 두 장치 사이를 TX/RX 두 선으로 연결해 비동기(async)적으로 데이터를 주고받는 직렬 통신 프로토콜이다.

- **클럭 선 없음** — 송수신 측이 동일한 Baud rate를 미리 약속해 동기화한다.
- **풀-듀플렉스(Full-duplex)** — TX와 RX가 독립적이므로 동시 송수신 가능하다.
- **1:1 통신** — I²C·SPI처럼 여러 장치를 같은 버스에 연결할 수 없다.

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## 프레임 구조

UART는 데이터를 **프레임(Frame)** 단위로 전송한다.

```
[IDLE] [Start Bit] [D0~D7] [Parity?] [Stop Bit(s)] [IDLE]
         1 bit      8 bit    선택       1~2 bit
```

| 필드 | 값 | 설명 |
|---|---|---|
| Start Bit | 0 (Low) | 프레임 시작 신호 |
| Data | 보통 8 bit | LSB 먼저 전송 |
| Parity Bit | 선택 사항 | 홀수/짝수 패리티로 단순 오류 감지 |
| Stop Bit | 1 또는 2 (High) | 프레임 종료 신호 |

> 가장 흔한 설정: **8N1** (8-bit data, No parity, 1 stop bit)

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## Baud Rate

Baud rate는 초당 전송되는 심볼 수(bps)다. 흔히 쓰는 표준값:

| Baud Rate | 용도 |
|---|---|
| 9600 | 기본값, 센서·GPS |
| 115200 | PC 디버그 출력 |
| 921600 | 고속 데이터 전송 |

> 송수신 양쪽의 Baud rate 오차가 ±2% 이상이면 수신 오류가 발생한다.

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## STM32에서 UART 설정 (HAL 기준)

### 초기화

```c
UART_HandleTypeDef huart2;

void MX_USART2_UART_Init(void) {
    huart2.Instance        = USART2;
    huart2.Init.BaudRate   = 115200;
    huart2.Init.WordLength = UART_WORDLENGTH_8B;
    huart2.Init.StopBits   = UART_STOPBITS_1;
    huart2.Init.Parity     = UART_PARITY_NONE;
    huart2.Init.Mode       = UART_MODE_TX_RX;
    HAL_UART_Init(&huart2);
}
```

### 블로킹 송수신

```c
// 송신 (blocking, 1000ms timeout)
uint8_t msg[] = "Hello UART\r\n";
HAL_UART_Transmit(&huart2, msg, sizeof(msg)-1, 1000);

// 수신 (blocking, 1바이트)
uint8_t rxBuf[1];
HAL_UART_Receive(&huart2, rxBuf, 1, HAL_MAX_DELAY);
```

### 인터럽트 수신 (권장)

```c
// 수신 콜백 등록
uint8_t rxByte;
HAL_UART_Receive_IT(&huart2, &rxByte, 1);

void HAL_UART_RxCpltCallback(UART_HandleTypeDef *huart) {
    if (huart->Instance == USART2) {
        processIncoming(rxByte);
        HAL_UART_Receive_IT(&huart2, &rxByte, 1); // 재등록
    }
}
```

> 블로킹 방식은 수신 대기 중 CPU를 낭비한다. 인터럽트 방식을 기본으로 사용하자.

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## DMA 수신 — 링 버퍼 패턴

대용량 스트림을 수신할 때는 DMA + **링 버퍼(Circular Buffer)** 조합이 효율적이다.

```c
#define RX_BUF_SIZE 256
uint8_t rxDmaBuf[RX_BUF_SIZE];

// DMA 원형 모드 수신 시작
HAL_UART_Receive_DMA(&huart2, rxDmaBuf, RX_BUF_SIZE);

// IDLE 인터럽트에서 처리
void HAL_UARTEx_RxEventCallback(UART_HandleTypeDef *huart, uint16_t Size) {
    if (huart->Instance == USART2) {
        processBuffer(rxDmaBuf, Size);
    }
}
```

IDLE 라인 인터럽트(`HAL_UARTEx_ReceiveToIdle_DMA`)를 사용하면 패킷 경계를 자동으로 감지할 수 있다.

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## printf 리다이렉트

디버그 출력을 UART로 보내려면 `_write` 또는 `fputc`를 오버라이드한다.

```c
// syscalls.c (Newlib 기반)
int _write(int fd, char *ptr, int len) {
    HAL_UART_Transmit(&huart2, (uint8_t *)ptr, len, HAL_MAX_DELAY);
    return len;
}
```

이후 `printf("value: %d\r\n", val);` 형태로 바로 사용 가능하다.

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## 흔한 문제와 해결

| 증상 | 원인 | 해결 |
|---|---|---|
| 수신 데이터 깨짐 | Baud rate 불일치 | 양쪽 값 재확인, 클럭 설정 점검 |
| 첫 바이트 누락 | 초기화 전 데이터 수신 | UART_Receive_IT를 초기화 직후 호출 |
| 간헐적 오버런 | 수신 속도 > 처리 속도 | DMA + 링 버퍼로 전환 |
| 노이즈로 오류 | 긴 배선 또는 GND 불연결 | GND 공통 연결, RS-485로 전환 검토 |

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## RS-232 / RS-485와의 차이

| | UART (3.3V/5V TTL) | RS-232 | RS-485 |
|---|---|---|---|
| 전압 | 0~3.3V 또는 0~5V | ±12V | 차동 신호 |
| 거리 | ~1m | ~15m | ~1200m |
| 장치 수 | 1:1 | 1:1 | 최대 32 노드 |
| 용도 | PCB 내부 통신 | 산업 장비 | 장거리 다중 통신 |

> MCU 핀은 TTL 레벨(3.3V/5V). PC 시리얼 포트(RS-232)와 직접 연결하면 MCU가 파손된다. 레벨 컨버터(MAX232 등) 필수.

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