uart学习

1.uart介绍：

通用异步收发传输器，是电脑硬件的一部分，它将需要传输的资料在串行通信与并行通信间转换。

异步：就是没有统一的时间线同步节奏。需要靠事先约定一个节奏（波特率）

通俗理解：将电脑内部的并行数据（多个比特同时走）转化为串行数据（一个比特一个比特走），或者反过来进行还原操作。

U = 通用（谁都能用）

A = 异步（靠约定，不靠时钟）

R/T = 收和发（一个负责听，一个负责说）

该总线双向通信，可以实现全双工传输与接收，用于主机与辅助设备通信。

2.通信协议：

是异步串口通信协议的一种，将传输数据一位一位传输。

起始位：先发逻辑"0"信号，表示传输字符的开始。（启动信号）

数据位：采用ASCLL码，低位开始传输。（传输内容）

奇校验位：使包括校验位在内的整个数据帧中二进制 1 的个数为奇数。例如，若数据位中 1 的个数是偶数，校验位就设为 1；若数据位中 1 的个数是奇数，校验位则设为 0。

偶校验位：使包括校验位在内的整个数据帧中二进制 1 的个数为偶数。即若数据位中 1 的个数是奇数，校验位设为 1；若数据位中 1 的个数是偶数，校验位设为 0。

停止位:发"1"高电平,表示传输完毕。停止位越长，容错性越强（适合时钟不同步的设备），但也会让整体速度变慢。（结束信号

空闲位：处于逻辑"1"高电平，表示无数据传输中。

波特率：衡量传输速率的指标，单位 bps，代表一秒传输多少比特。

工作过程：

发数据

空闲状态：线路保持高电平（1）,无数据传输。

开始发送：拉低电平（0），持续1位时间T。

发送数据：从低到高依次发送

校验位：奇偶校验，简单检测错误

停止位：拉高电平（1），持续1到2位时间，这帧数据结束

收数据

空闲时监听：线路为高电平，等待信号

检测到起始信号：电平从高变为低时，表示数据来了。

采样：按照16倍指定的波特率的时钟进行采样。（波特率9600bps时，采样时钟为153600HZ）

接收：从低位开始，按序接收8位数据。

检验与结束：检查奇偶校验位是否准确。确认停止位是不是高电平，数据完整。

通知系统：把接收到的数据存入缓存或交给 CPU 处理。

关键设计:16倍采样时钟

每个数据有16个时钟采样，取中间的采样值，以保证采样不会滑码或误码。

3.RS232与RS485

通常所说的uart是一种串行通信协议，规定了数据帧格式，波特率等，而rs232与rs485是两种不同的电气协议。

RS232：点对点，中距离（几十米），采用3~15v电压，抗干扰能力强，适合两个设备间通信，一根线tx发数据，一根线rx收数据，两根线实现全双工。RS232传输速率较低，在异步传输时，波特率为20Kbps.

RS485：远距离（1200米左右），多设备，工业级传输。使用差分信号，通过电压差判断电平高低。两根线实现半双工，同时间只能发或者收，如果再加两根线可以实现全双工通信，支持多设备挂一根总线(32~128个)，RS485的数据最高传输速率为10Mbps。

总结：UART 负责“说人话”（数据格式），RS232/RS485 负责“走远路”（物理传输）。

4.流控：

数据在两个串口之间传输 ，可能由于两个计算机处理速度不同，会有数据丢失的现象。而流控可以解决这个问题，当接收端数据接收不过来，会发送“不接收”信号，发送端就停止发送，知道接收到“可以发送”信号再继续。

流控分为硬件流控（RTS/CTS..）与软件流控XON/XOFF。

1.硬件流控：

DTR：数据终端就绪	告诉对方，我准备就绪可以传数据了	（方向：本设备->对端设备，低电平有效）
DSR：数据装置就绪	我知道你准备好了，我回应你我也准备好了	（方向：对端设备->本设备，低电平有效）
RTS：请求发送	本设备发数据前拉低RTS表示：我想发数据，你听得到吗	（方向：本设备->对端设备，低电平有效）
CTS：允许发送	对方收到RTS后，自己若准备好接收，拉低CTS表示：可以发，我听得到	（方向：对端设备->本设备，低电平有效）

DTR、DSR 是“建立连接的握手”，RTS、CTS 是“发送数据前的确认”，合起来就是一套完整的“礼貌通信协议”。

优点：

不会干扰数据：控制信号走单独的线，和数据完全隔离。

即使传二进制文件、视频、音频，也不会误判。

更可靠，适合高速、工业级通信。

缺点：

需要额外的控制线（至少4根线：TX、RX、RTS、CTS）

接线复杂，成本高，有些简单设备不支持

2.软件流控：

通过数据线本身发送两个特殊字符来控制：

XON：十进制17，表示可以继续发

XOFF：十进制19，表示满了，不要发了

工作过程：

接收方（比如单片机）的缓冲区快满了（比如超过80%）→ 立刻发送一个 XOFF 字符。

发送方收到 XOFF → 立刻停止发送数据。

接收方处理完一部分数据，缓冲区空了（比如低于30%）→ 发送一个 XON 字符。

发送方收到 XON → 立刻恢复发送数据。

优点：

不需要额外的控制线（只用 TX 和 RX 两根线就能搞定）

成本低，接线简单

适合短距离、低速通信（如调试串口、蓝牙模块）

缺点：

如果刚好数据里有个字节是 0x11（XON），接收方就会误以为“可以发了”，导致混乱。

同理，0x13（XOFF）也会被误判为“停止”

项目	软件流控（XON/XOFF）	硬件流控（RTS/CTS）
控制方式	用数据线发特殊字符	用独立控制线发信号
所需线路	只需 TX、RX	需 TX、RX、RTS、CTS
是否影响数据	可能误判（二进制中出现0x11/0x13）	完全隔离，无干扰
可靠性	一般，适合低速	高，适合高速/工业
成本	低	稍高
常见场景	调试串口、蓝牙、简单模块	工业设备、调制解调器、高速传输

如果传的是文本、命令、日志 → XON/XOFF。

如果是固件、音频、视频、二进制文件 → RTS/CTS硬件流控。

5.Linux Serial介绍

linux系统中，终端是一种字符型设备，具有多种类型，通常使用tty简称各种终端设备，嵌入式普遍采用uart，串行端口，简称端口

常见TTY类型包括串口终端，控制台终端，虚拟终端

串口终端(/dev/ttyS*):

串口终端是是使用计算机串口连接的终端设备，linux将每一个串口视为一个字符设备，对应的设备名称是/dev/ttySAC*

通过串口线连接电脑，用来调试、打印日志、登录系统

控制台终端(/dev/console)

计算机的输出设备被称为控制台终端，printk信息默认输出到这里。/dev/console 是一个虚拟的设备，需要映射到真正的TTY上，

通过内核启动参数“console=ttySCA0”就把console映射到了串口0。就像电视台的“主频道”，所有重要通知都从这里播出去。

虚拟终端(/dev/tty*)

用户登录时，使用的是虚拟终端，tty*被称为虚拟终端，tty0为当前使用的虚拟终端的别名。

就像一台电脑接了多个“用户工作站”，每个人可以独立登录操作。

TTY架构分析

可以将TTY架构分为以下几层：

用户层（读写操作）

↓

TTY核心层（数据处理）<——> 线路规划（line discipline）

↓

TTY驱动层

↓

硬件 ——> UART控制器（RX/TX引脚）

各级的作用

层级	作用	类比
用户空间	用 cat /dev/ttySAC0 读写数据	顾客寄快递
TTY 核心层	Linux 内核的通用 TTY 管理模块，负责调度	快递总公司
线路规程 (Line Disc)	处理特殊字符（如退格、Ctrl+C）、软件流控（XON/XOFF）	分拣中心（处理包裹标签）
TTY 驱动层	具体的串口驱动（如 UART 驱动），直接操作硬件寄存器	快递员（直接送货）
硬件	UART 控制器、TX/RX 引脚、电平转换芯片（如 RS232）	车辆和道路

tty设备发送数据流程为：tty核心层拿到用户将要发送给tty设备的数据，tty核心将数据传递给tty线路规划驱动，接着数据被传给tty驱动，tty驱动将数据转换为可以发送给硬件的格式。

而接受数据的流程为：从tty硬件接收到数据向上交给tty驱动，接着进入tty线路规划驱动，然后是tty核心，在这里被用户获取

完整流程：用户程序通过open，read等函数调用核心层，核心层可以通过线路规划与tty驱动进行通信，如果数据不需要处理加工，核心层也可以直接与tty驱动层进行数据传输。tty驱动将数据格式转化为硬件理解的格式，再发送到硬件设备。

在用户程序进行终端设备操作时，要调用核心层操作函数file_operations， 这个结构体里包含了所有操作终端的 “接口函数”（API），是核心层的核心工具。链路层主要是tty_register_driver()函数注册线路规划。终端设备主要实现tty_driver结构体成员的填充，实现成员函数，让tty驱动可以正常运行。

整个流程就像 “用户（程序）→ 中介（核心层）→ 翻译（tty 驱动）→ 硬件”