串口通信的学习

• 串口通信
  • UART在硬件中通常以一个独立的集成电路（IC）或作为更大芯片（如MCU、SoC）中的一个内部外设模块的形式存在。它的核心功能是进行并转串和串转并的转换，并处理通信协议
• 串行/并行通信
  • 虽然并行一次能传更多数据，但随着速度提升，多条线之间的信号同步和相互干扰(串扰)变得极其难以处理。而串行通信虽然一次只传一位，但可以通过大幅提高时钟频率来轻松超越并行通信，且布线简单，成本低。现代高速总线（如USB，PCI-E，SATA）都是串行通信
• 通信模式
  • 单工模式（Simplex Communication)：主机间通信时如果一方固定为发送端另外一方固定为接收端，通过一根总线实现数据通信。这种通信方式就像是你只能听别人说话，但无法回答他们一样，只能单向传递信息。
  • 半双工通信(Half-Duplex Communication)：是一种通信方式，其中数据传输可以在两个方向之间交替进行，但不能同时进行。换句话说，通信双方可以既发送数据又接收数据，但不能同时进行这两种操作。比方说，就像你可以和别人交替说话和倾听对方说话一样。当你在说话时，对方在听你说：当对方在说话时，你在倾听对方。这种方式允许双方之间在发送和接收数据之间切换，但不能同时进行。半双工通信常用于对话式交流和一些简单的通信场景中。
  • 全双工通信（Full-Duplex Communication)：是一种通信方式，其中数据传输可以同时在两个方向进行，允许通信双方同时发送和接收数据，实现双向通信。就像打电话一样，你可以同时说话也可以听对方说话，双方可以同时进行数据传输，实现双向沟通
• 串口通信
  • 异步串口通信
    • 特点：不需要时钟信号线。发送和接收双方依靠预先约定好的波特率（BaudRate)来同步时序
    • 要求：双方必须严格使用相同的波特率、数据位、停止位、校验位等参数
    • 优点：节省一根时钟线，实现简单
    • 缺点：由于时钟不可能完全一致，长时间传输可能会有微小误差积累，因此不适合极高速和超长数据包传输
    • 代表：UART、RS-232
  • 同步串口通信
    • 特点：有一根专用的时钟信号线(CLK)。发送方在传输数据的同时，会发送一个时钟信号。接收方利用这个时钟边沿来采样数据线，同步精度极高
    • 优点：速度可以非常高，数据包可以很长。
    • 缺点：需要多一根线
    • 代表：SPI,I2C
• 串口通信的核心参数
  • 配置串口通信时，必须确保通信双方使用相同的参数，否则数据会乱码。这些参数构成了我们常说的"数据帧格式"
  • 作为常用的串行通信方式，以TTL为例，串口通信在不同主机之间的数据格式为：
    • 空闲时数据线为高电平;
    • 发送发发送一个低电平表示起始位；
    • 发送的第一个比特是最低为(最右边);
    • 校验位分为奇校验，偶校验和无校验。奇校验是指确保数据位加上校验位中"1"，1的总数为奇数；偶校验是指确保数据位加上校验位中"1"，1的总数为偶数；
    • 为保证下一个字节发送前的起始位能够表现出来，校验位之后发送一个停止位1
  • 波特率(Baud Rate):
    • 表示每秒传输的符号个数，可粗略理解为传输速率（比特率，bps）
    • 常见值：9600,19200,38400,115200等。
    • 115200的波特率意味着每位数据宽度大约为1/115200
    • 数据位(Data Bits):
    • 每个帧中实际数据位的长度。可以是5,6,7,8位
    • 最常见的是8位，对应一个字节
  • 奇偶校验位(Parity Bit):
    • 一种简单的错误检查机制
    • 可选值：
      • None:无校验位
      • Even:偶校验，数据位+校验位中"1"的个数为偶数
      • Odd:奇校验，数据位+校验位中"1"的个数为奇数
  • 停止位(Stop Bits):
    • 用于标志一个数据帧的结束。总是逻辑高电平（1）
    • 可以是1位、1.5位或2位。最常见的是1位
  • 常用配置缩写：8N1(8位数据位，无校验，1位停止位)，这是最常用的配置
• 物理接口
  • UART本身是TTL电平（OV表示0，3.3V/5V表示1），传输距离很短（通常不超过一米）。为了进行远距离、抗干扰的串口通信，人们定义了各种物理层标准
  • RS-232:
    • 经典的老式"串口"或"COM口"。使用负逻辑（-3V～-15V表示1，+3V～+15V表示0)使用DB9或DB25接口
    • 传输距离可达15米左右
  • RS-485:
    • 采用差分信号传输（用两条线AB之间的电压差表示0和1），抗共模干扰能力极强
    • 传输距离可达千米以上，并支持多点总线（一个主机可带多个从机）
  • USB转串口(USB to UART TTL):
    • 现代计算机没有原生串口，通常使用USB转串口芯片（如CH340，CP2102,FT232）来模拟一个串口，输出的是TTL电平的UART信号
    • 这是目前单片机、嵌入式设备最常用的连接方式