UART/USART

moonsyu·2026년 8월 25일

Embedded USART uart

stm32

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UART란?

Universal Asynchronous Receiver/Transmitter의 약자
CPU가 다루는 병렬 데이터 한 바이트를 TX 핀에서 한 비트씩 내보내고, RX 핀으로 들어오는 비트열을 다시 바이트로 조립하는 하드웨어 주변장치
별도의 clock 선을 공유하지 않는 비동기 통신
따라서 송신기와 수신기는 통신 전에 다음 설정을 동일하게 맞춰야 한다.
- baud rate
- data bit 수
- parity 방식
- stop bit 수
- 필요한 경우 RTS/CTS flow control

※ 중요한 점 ※
UART 자체가 센서 패킷의 의미까지 정하지는 않는다.
명령 코드, 헤더, 길이, checksum/CRC, 응답 시간은 각 센서의 제조사가 별도의 프로토콜로 정의한다.

UART는 언제 사용하는가?

배선과 구현이 단순한 point-to-point 직렬 통신에 사용

사용 상황	UART가 적합한 이유	대표 예
디버그 로그와 명령 콘솔	PC terminal에서 바로 확인 가능	`printf`, boot log, CLI
MCU와 통신 모듈 연결	TX/RX/GND만으로 구현 가능	GNSS, Bluetooth, Wi-Fi/LTE modem
비교적 느린 센서 데이터	9600~115200 baud로 충분한 경우가 많음	CO₂, 미세먼지, LiDAR
펌웨어 다운로드와 부트로더	단순하고 널리 지원됨	STM32 system bootloader
두 MCU 간 통신	주소가 필요 없는 1:1 연결에 간편	main MCU ↔ sub MCU

반대로 다음 상황에서는 다른 인터페이스도 고려해야 한다.

여러 장치를 같은 두 선에 주소로 연결: I²C
더 높은 처리량과 짧은 지연이 필요: SPI
센서가 전압을 직접 출력: ADC
긴 케이블이나 노이즈가 심한 산업 환경: UART 신호를 그대로 연장하지 말고 RS-485 transceiver 사용 검토

UART의 동작 원리

1. 배선

STM32 TX  ─────────>  센서 RX
STM32 RX  <─────────  센서 TX
STM32 GND ──────────  센서 GND

TX와 RX를 서로 교차 연결하고 GND를 공통으로 묶는다. TX와 RX가 분리되어 있으므로 일반 UART는 동시에 송수신할 수 있는 full duplex 통신이다.

센서 전원 전압과 UART 신호 전압은 별개다. 예를 들어 센서 전원이 5 V이더라도 UART 신호는 3.3 V일 수 있다. 반드시 데이터시트의 I/O voltage를 확인해야 한다.

2. 8N1 프레임

Idle(1) │ Start(0) │ D0 D1 D2 D3 D4 D5 D6 D7 │ Stop(1)

유휴 상태의 선로는 High다.
Start bit의 High → Low 전환으로 수신기가 프레임 시작을 검출한다.
데이터는 일반적으로 LSB인 D0부터 전송한다.
8N1은 8 data bits, No parity, 1 stop bit를 의미한다.
Stop bit가 High가 아니면 framing error가 발생할 수 있다.

115200 baud에서 한 bit 시간은 약 8.68 μs다. 8N1은 한 바이트를 보내는 데 start 1 + data 8 + stop 1, 총 10 bit가 필요하므로 이론적인 payload 상한은 다음과 같다.

115200 bit/s ÷ 10 bit/byte = 11,520 byte/s

실제 센서 패킷에는 헤더와 checksum 등이 포함되므로 유효 데이터율은 이보다 낮다.

3. STM32 내부의 송수신 과정

송신 과정

CPU가 USART_DR에 한 바이트를 기록한다.

USART 하드웨어가 start/data/stop bit를 붙여 TX로 직렬 전송한다.

TXE=1이면 data register가 비어 다음 바이트를 기록할 수 있다.

마지막 stop bit까지 전송됐는지는 TC=1로 확인한다.

수신 과정

USART가 RX의 start edge를 검출한다.

bit 중앙을 oversampling해 값을 판정한다.

완성된 바이트를 USART_DR로 옮기고 RXNE=1을 설정한다.

CPU가 USART_DR을 읽으면 RXNE가 해제된다.

이전 바이트를 읽기 전에 새 바이트가 오면 ORE overrun이 발생한다.

주요 오류 flag

STM32F4에서는 오류 flag를 정리할 때 SR을 읽은 뒤 DR을 읽는 순서를 사용한다.

플래그	SR 비트	의미	발생 조건
`PE`	bit 0	Parity Error	수신한 패리티 값이 계산 결과와 다를 때
`FE`	bit 1	Framing Error	Stop bit가 정상적인 `1`로 감지되지 않을 때
`NF` (`NE`)	bit 2	Noise Error	수신 신호에서 잡음이 감지됐을 때
`ORE`	bit 3	Overrun Error	기존 데이터를 읽기 전에 다음 데이터가 도착했을 때

STM32F446에서 OVER8=0은 16배 oversampling, OVER8=1은 8배 oversampling이다. 16배 방식은 clock 오차 허용 범위가 더 넓고, 8배 방식은 더 높은 최대 baud rate를 허용한다. ONEBIT=0이면 bit 중앙의 세 sample을 majority vote해 잡음을 판정한다.

UART와 USART의 차이

USART는 Universal Synchronous/Asynchronous Receiver/Transmitter의 약자
UART의 비동기 통신에 동기식 기능이 추가된 주변장치
CubeMX에서 USART1/2/3/6을 Asynchronous로 설정하면 실제 배선과 사용 방식은 일반 UART와 동일하다.
synchronous mode는 CK를 출력하는 master 방식이며 완전한 범용 SPI slave와 같은 기능은 아니다.

STM32F446 기준 비교표

구분	UART4, UART5	USART1, USART2, USART3, USART6
정식 명칭	Universal Asynchronous Receiver/Transmitter	Universal Synchronous/Asynchronous Receiver/Transmitter
비동기 통신	지원	UART와 동일
동기 통신	미지원	지원, master-only
비동기 기본 배선	TX, RX, GND	UART와 동일
RTS/CTS 사용 시 배선	TX, RX, RTS, CTS, GND	UART와 동일
동기 통신 배선	해당 없음	TX, RX, CK, GND
비동기 프레임	start + data + parity(선택) + stop	UART와 동일
데이터 길이	8비트 또는 9비트	UART와 동일
Smartcard mode	미지원	지원
LIN mode	지원	UART와 동일
IrDA	지원	UART와 동일
DMA	지원	UART와 동일
단선 Half-Duplex	지원	UART와 동일
RTS/CTS	UART4, UART5 지원	USART1, USART2, USART3, USART6 지원
HAL 비동기 API	`HAL_UART_*`	UART와 동일
HAL 동기 API	해당 없음	`HAL_USART_*`

USART가 언제나 UART보다 빠르다는 뜻은 아니다. 최대 baud rate는 peripheral clock과 oversampling 설정에 의해 결정된다.

또 하나의 주의점이 있다. STM32F4에서 parity를 켜면 parity bit가 word length의 MSB 자리를 사용한다. 따라서 8 data + parity가 필요하면 9-bit word length와 parity를 선택해야 한다. 8-bit word length + parity는 실제로 7 data + parity가 된다.

HAL 방식으로 USART2 설정하기

HAL은 register bit와 clock 계산을 driver가 대신 관리한다. HAL_Init()과 SystemClock_Config()를 먼저 실행한 뒤 아래 초기화를 호출한다.

#include "stm32f4xx_hal.h"
#include <stdbool.h>
#include <stddef.h>
#include <stdint.h>

UART_HandleTypeDef huart2;

bool hal_uart2_init(uint32_t baud)
{
    __HAL_RCC_GPIOA_CLK_ENABLE();
    __HAL_RCC_USART2_CLK_ENABLE();

    GPIO_InitTypeDef gpio = {0};
    gpio.Pin       = GPIO_PIN_2 | GPIO_PIN_3;
    gpio.Mode      = GPIO_MODE_AF_PP;
    gpio.Pull      = GPIO_PULLUP;
    gpio.Speed     = GPIO_SPEED_FREQ_VERY_HIGH;
    gpio.Alternate = GPIO_AF7_USART2;
    HAL_GPIO_Init(GPIOA, &gpio);

    huart2.Instance          = USART2;
    huart2.Init.BaudRate     = baud;
    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;
    huart2.Init.HwFlowCtl    = UART_HWCONTROL_NONE;
    huart2.Init.OverSampling = UART_OVERSAMPLING_16;

    return HAL_UART_Init(&huart2) == HAL_OK;
}

bool uart_write_bytes(const uint8_t *data, size_t len, uint32_t timeout_ms)
{
    if (len > UINT16_MAX) return false;
    return HAL_UART_Transmit(&huart2, (uint8_t *)data,
                             (uint16_t)len, timeout_ms) == HAL_OK;
}

bool uart_read_byte(uint8_t *data, uint32_t timeout_ms)
{
    return HAL_UART_Receive(&huart2, data, 1, timeout_ms) == HAL_OK;
}

CubeMX가 이미 MX_USART2_UART_Init()과 HAL_UART_MspInit()을 생성했다면 위 초기화 전체를 중복해서 넣지 말고, 생성된 huart2를 사용해 송수신 wrapper(read, write)만 추가한다.

Bare-Metal 방식으로 USART2 설정하기

GPIO, 클럭, Baud rate, 프레임 설정 등의 기본 초기화는 CubeMX가 생성한 MX_USART2_UART_Init() 사용

따라서 이후 예제에서는 USART2->SR과 USART2->DR을 이용한 송수신 과정만 직접 구현

#include "stm32f4xx_hal.h"
#include <stddef.h>
#include <stdint.h>

/* 1바이트를 DR에 기록 */
static void USART2_WriteByte(uint8_t data)
{
    /* DR이 비워질 때까지 대기 */
    while ((USART2->SR & USART_SR_TXE) == 0U) {
    }

    USART2->DR = data;
}

/* 바이트 배열 송신 */
void USART2_SendBytes(const uint8_t *data, size_t length)
{
    for (size_t i = 0; i < length; i++) {
        USART2_WriteByte(data[i]);
    }

    /* 마지막 Stop bit까지 전송 완료 대기 */
    while ((USART2->SR & USART_SR_TC) == 0U) {
    }
}

/* 문자열 송신 */
void USART2_SendString(const char *str)
{
    while (*str != '\0') {
        USART2_WriteByte((uint8_t)*str);
        str++;
    }

    while ((USART2->SR & USART_SR_TC) == 0U) {
    }
}

int main(void)
{
    HAL_Init();
    SystemClock_Config();

    MX_GPIO_Init();
    MX_USART2_UART_Init();

    USART2_SendString("Hello UART!\r\n");

    uint8_t command[] = {0xFF, 0x01, 0x86, 0x00};
    USART2_SendBytes(command, sizeof(command));

    while (1) {
    }
}

실제 프로그램에서는 무한 대기 대신 SysTick 기반 timeout을 추가하고, PE/FE/NF/ORE를 확인해야 한다. STM32F4에서 오류를 정리하는 기본 순서는 SR을 읽고 이어서 DR을 읽는 것이다.

NUCLEO-F446RE에서 꼭 확인할 점

NUCLEO-F446RE의 기본 solder bridge 상태는 SB13/SB14 ON, SB62/SB63 OFF다. 따라서 PA2/PA3의 USART2는 on-board ST-LINK Virtual COM Port에 연결되고 Arduino D1/D0 및 Morpho header 쪽에서는 끊겨 있다.

PA2/PA3를 실제 센서 header로 사용하려면 보드 revision을 확인한 뒤 공식 지침에 따라 다음처럼 변경해야 한다.