Linux学习-硬件（串口通信）
一、通信方式：串行与并行
- 串行通信：
- 传输形式：数据通过1条（或2条，如UART的TX/RX）信号线逐位传输，每次仅传1 bit。
- 特点：线路少、成本低、抗干扰性强，但传输速度慢。
- 典型应用：UART串口、SPI、I2C等。
- 并行通信：
- 传输形式：数据通过多条信号线同时传输，每次传多位（如8位、16位）。
- 特点：传输速度快，但线路多、成本高、长距离抗干扰性弱。
- 典型应用：早期计算机内部总线、打印机LPT接口等。
二、通信方向：单工、半双工、全双工
- 单工通信：数据仅能单向固定传输（发送方→接收方，不可逆）。
- 例子：收音机（只收不发）、红外遥控器。
- 半双工通信：数据可双向传输，但同一时间只能单向（发送和接收不能同时进行）。
- 例子：对讲机（一方说话时另一方需等待）、RS485总线（半双工模式）。
- 全双工通信：数据可双向同时传输（发送和接收独立进行）。
- 例子：电话（双方可同时说话）、USB通信、UART串口（TX/RX双工线）。
三、串口通信核心（时序、速率、同步/异步归属）
- 串口通信（UART）：
- 本质：一种串行异步通信方式，通过单条（或两条）线传输数据，常用于设备短距离通信（如单片机与传感器、PC与开发板）。
- 通信时序（异步UART为例）：
- 空闲：信号线保持高电平（逻辑1）。
- 起始位：发送1个低电平（逻辑0），标记数据开始。
- 数据位：传输实际数据（5 - 8位，如8位，低位在前）。
- 校验位（可选）：奇/偶/无校验，用于数据正确性校验。
- 停止位：发送1 - 2个高电平（逻辑1），标记一帧数据结束。
时序流程：空闲 → 起始位 → 数据位 → 校验位（可选）→ 停止位 → 空闲。
- 速率决定因素：由**波特率（Baud Rate）**决定，即单位时间传输的二进制位数（bit/s）。通信双方需预先约定一致，否则数据错误。
- 常见波特率：300、600、1200、2400、4800、9600（最常用默认值）、19200、38400、57600、115200等。
- 同步/异步归属：串口（UART）属于异步通信——发送方和接收方用独立时钟，通过起始/停止位标识数据帧，无需物理时钟线，灵活性高但效率较低。
四、同步通信 vs 异步通信
- 同步通信：
- 同步方式：发送方和接收方用同一时钟信号同步传输，数据连续发送（无起始/停止位）。
- 特点：效率高，但需额外时钟线。
- 典型应用：SPI、I2C、CAN总线。
- 异步通信：
- 同步方式：发送方和接收方用独立时钟，通过起始/停止位标识数据帧边界。
- 特点：无需时钟线，灵活性高但效率较低。
- 典型应用：UART串口。
五、电平标准：TTL、RS232、RS485
- TTL（Transistor-Transistor Logic）：
- 适用场景：短距离（≤1米）通信。
- 电平定义：逻辑1为3.3V/5V，逻辑0为0V。
- 应用：单片机内部、芯片间通信（如传感器与MCU的UART接口）。
- RS232：
- 适用场景：中短距离（≤15米）通信。
- 电平定义：逻辑1为-3V ~ -15V，逻辑0为+3V ~ +15V（与TTL反相）。
- 连接要求：需电平转换芯片（如MAX232）与TTL设备对接，常见于PC的DB9串口。
- RS485：
- 适用场景： 长距离（≤1200米）、多设备（最多32节点）通信。
- 传输方式：采用差分信号（A、B线），抗干扰能力强，支持半双工/全双工。
- 应用：工业现场总线（如传感器网络、楼宇自动化）。
六、UART（通用异步收发器）细节
- 信号逻辑：
- 空闲时：高电平；
- 起始位：低电平；
- 数据传输：低位先行；
- 校验位：奇校验（Odd）、偶校验（Even）、无校验（None）可选；
- 停止位：高电平（1位或多位）。
- 波特率：即传输效率（bit per second，bps），常见值1200、2400、4800、9600、115200等；波特率越小，传输速率越慢（如115200 bps比9600 bps快）。
- 示例解析：
9600, n, 8, 1：波特率9600 bps、无校验、8位数据位、1位停止位。115200, e, 7, 2：波特率115200 bps、偶校验、7位数据位、2位停止位。
- 数据位计算：
8位数据 + 1起始位 + 校验位（0或1） + 停止位（1或多），总长度≤10位。 - 传输效率示例：波特率9600 bps时，1秒可发 ( 9600 \div 10 = 960 ) 字节（按10位/字节算）。
- BSP：板级支持包，用于硬件层数据封装。
七、51单片机串口（以SCON为例）
-
控制寄存器SCON：
SM0/SM1：串口工作模式选择（如模式1为8位UART，波特率由定时器1溢出率决定）。SM2：多机通信控制位。REN：接收使能位，REN=1时允许接收。TI：发送中断请求标志位，TI=1表示发送完成（需手动软件复位）。RI：接收中断请求标志位，RI=1表示接收完成（需手动软件复位）。
-
波特率计算：
公式：2^8 - 2 ^smod * focs /32/bps/12
(focs为晶振频率，TH1为定时器1初值，SMOD用于波特率加倍）。 -
数据模式：
- 文本模式：
#对应0x23； - 二进制（HEX）模式：
0xFF对应数值255。
- 文本模式：
八、自定义协议与主从总线模式
- 主从总线模式：主机发命令，从机执行并返回响应（如“China”命令，从机回“OK”）。
- Modbus类自定义协议帧结构（示例）：
字段 内容 示例（十六进制） 起始字节 帧起始标识 0xAA 设备地址 从机地址（低位在前） 0x01（低）、0x00（高） 功能码 命令功能标识 0x03 数据段 传输数据 0x04、0xD2（数据1、数据2…） 校验码 累加和校验（低字节在前） 0x05（低）、0x20（高） 结束字节 帧结束标识 0x0D
（注：累加和校验为各字节累加后取低字节，用于帧完整性验证）