Asynchronbetrieb (Start-Stop-Betrieb)

Die Besonderheit bei der asynchronen Betriebsweise besteht darin, dass der Sender dem Empfänger kein eigenes Taktsignal auf einer eigenen Steuerleitung überträgt. Stattdessen synchronisiert sich der Empfänger über die Länge des Rahmens, vermittelt durch die Vorderflanke des neuen Start-Bits nach dem letzten empfangenen Stopp-Bit, sowie die eingestellte Baudrate (welche in diesem Fall der Bitrate entspricht). Weil der Beginn einer Übertragung mit dem Start-Bit zu beliebigen Zeitpunkten erfolgen kann, wird diese serielle Schnittstelle als asynchron bezeichnet. Um eine Synchronisation gewährleisten zu können, ist die Anzahl der übertragbaren Datenbits innerhalb eines Rahmens eingeschränkt. Würde mehr als ein Byte in einen Rahmen verpackt, könnte die Synchronisation verloren gehen, was zu Fehlinterpretationen des Datenstromes und somit zu einer fehlerhaften Übertragung führen könnte. Wenn in einer Sendepause keine Daten zu übertragen sind, so legt der Sender die Leitung auf die Polarität des Stopp-Bits. Weil der Empfänger sich mit jedem übertragenen Rahmen neu synchronisiert, ist es nicht notwendig, dass zwischen den übertragenen Rahmen ein zeitlicher Zusammenhang besteht. Nur für die Dauer eines einzelnen Rahmens müssen Sender und Empfänger synchron arbeiten, nicht länger. Das nennt man „bytesynchron“ oder zeichensynchron.

Serielle Schnittstellen in synchroner Betriebsweise benötigen keinen Rahmen aus Start-/Stopp-Bits. Sie stellen die Synchronität der Teilnehmer auf andere Weise sicher, zum Beispiel indem eine zusätzliche Taktleitung verwendet wird oder der Takt aus dem Leitungscode zurückgewonnen wird.

Serielle Schnittstelle

Die Geschichte des UART ist eng verbunden mit der Standardisierung der Datenkommunikation von RS-232. Waren die ersten UARTs für Datenübertragungsraten weniger hundert Bit/s und den Anschluss an Teletypes mit Stromschnittstelle oder Modems vorgesehen, so erreichten sie in späteren Jahren als eigenständige Chips mehrere Megabit pro Sekunde. Die asynchrone Übertragung findet in der Datenkommunikation bei der RS-232-Schnittstelle Verwendung. Diese Schnittstelle weist eine vergleichsweise große Verbreitung auf. Ein UART erzeugt die auf der RS-232-Schnittstelle zu übertragenden Datenbits und den dazu notwendigen Datenrahmen. Die eigentliche RS-232-Schnittstelle besteht zusätzlich noch aus Pegelumsetzern und weiteren Bauelementen wie Steckern, welche nicht mehr Teil eines UART sind.

Damit UART-Baugruppen kommunizieren können, müssen die Empfangsleitung (Rx) der einen und die Sendungsleitung (Tx) der anderen Baugruppe am Stecker gegenüberstehen. Damit sind stets zwei Steckerbelegungstypen (Master und Slave) erforderlich, auch wenn die Geräte vollkommen gleichberechtigt kommunizieren. Sollen Master mit Master oder Slave mit Slave kommunizieren können, sind Kreuzverbinder (analog dem Null-Modem-Kabel der seriellen Schnittstelle oder dem Cross-Over-Kabel des Ethernet) erforderlich.

Eine Modifikation, die Single-Wire UART (SWART), vermeidet dieses Verpolungsproblem. Werden Rx und Tx zusammen auf einem Pin vereint, ist zwar nur eine Simplex-Übertragung möglich, dafür aber können dann beliebige Module miteinander kommunizieren. Es können sogar mehrere UART-Module auf einem Draht kommunizieren (SWART-Bus). Die SWART ist insbesondere für kurze Entfernungen und für Datenraten bis 115.200 Baud geeignet.

Realisierungen

Realisiert wird ein UART meist als Kommunikationsbaustein in Mikrocontrollern, oder in Computern als eigenständige integrierte Schaltung, als Teilfunktion in Chipsätzen, in Form von Hardwarebeschreibungssprachen für die Integration in Field Programmable Gate Arrays (FPGAs) oder als sogenanntes „Software-UART“, das nur durch eine Programmabfolge vorliegt und bestimmte Ein-/Ausgabepins direkt ansteuert (Bit-Banging). Die zu übertragenden bzw. die empfangenen Daten werden an das UART meist in paralleler Form, beispielsweise über einen CPU-externen Bus, geliefert.

Ein UART-Baustein, der über viele Jahre in handelsüblichen PCs als eigenständiger Baustein verwendet wurde, ist das von National Semiconductor entwickelte UART 8250 und seine kompatiblen Nachfolger 16450 und 16550. Der 16550 enthält neben dem Empfangs- bzw. Sendeteil zusätzlich einen FIFO-Pufferspeicher mit 16 Byte, welcher einen Überlauf des Empfangspuffers von sonst nur einem Byte bei hohen Bitraten minimiert. Der Prozessor wird zudem nur noch um ein Sechszehntel mal so häufig von Interrupts unterbrochen, was die Effizienz des Programmablaufes deutlich erhöht. 16450 und 16550 ICs sind zueinander pin-kompatibel und können problemlos gegeneinander ausgetauscht werden. Häufig war das eine notwendige sowie recht einfache Maßnahme um schnell getakteten Prozessoren, etwa ab i386, schnelle serielle Datenübertragung mit mehr als 19,2 kbit/s zu ermöglichen. Seit Mitte der 1990er Jahre werden UART-Controller in PCs kaum noch als eigenständige integrierte Schaltungen eingesetzt, da die Bereitstellung serieller Schnittstellen im Chipsatz von Multi-I/O Erweiterungskarten und später direkt in die Southbridge des Mainboards integriert wurde.