学习嵌入式的第四十二天——ARM——UART

1、什么是单工，半双工，全双工通信？

单工：在整个通信过程中，只能一方发送，另一方接收

定义

数据只能单向传输，即从 “发送端” 到 “接收端”，接收端无法向发送端反馈数据，通信链路是 “单向不可逆” 的。

核心特点

• 只有一条单向信道，无需考虑 “冲突”（因接收端不发送数据）。
• 发送端和接收端的角色固定：发送端只负责发，接收端只负责收。

半双工：在同一时刻，只能一方发送，另一方接收，但是在通信过程中双方身份可以互换

定义

数据可以双向传输，但不能同时双向传输—— 同一时间内，通信链路只能允许一个方向的数据流动，发送端和接收端需 “交替” 工作（即 “发的时候不能收，收的时候不能发”）。

核心特点

• 共享一条信道（或一组信道），需通过 “分时复用” 实现双向通信（即 “轮流占用信道”）。
• 存在 “冲突风险”：若两端同时发送数据，会导致信号叠加、数据丢失，因此需额外机制避免冲突（如 “载波监听”）。

全双工：在同一时刻，通信双方既可以发送，也可以接收，收发互不影响

定义

数据可以同时双向传输—— 发送端和接收端能 “同时” 发送和接收数据，相当于存在 “两条独立的单向信道”（一条用于 A→B，一条用于 B→A），通信链路是 “双向同步” 的。

核心特点

• 有两条独立信道（或一条信道分为两个子信道），无需 “分时复用”，发送和接收可并行进行。
• 无 “冲突风险”（因双向数据走不同信道），通信效率最高，适用于需要 “实时交互” 的场景。

2、什么是串行通信，什么是并行通信？

串行：通信数据只能一个bit一个bit的传输

定义

数据通过一条传输线路（或一对线路）逐位传输，即一个数据字节（通常 8 位）需要分成 8 次，按顺序一位一位地发送，接收端再逐位拼接还原成完整数据。

核心特点

• 线路少：只需 1 条（或 2 条，含地线）传输线，硬件成本低、布线简单。
• 逐位传输：数据位按时间顺序依次发送（比如先传最高位，再传次高位，最后传最低位），需要严格的 “时序同步”（发送端和接收端需约定传输速率，确保对齐每一位）。
• 抗干扰强：由于线路少，长距离传输时信号间的 “串扰”（不同线路信号互相干扰）风险低，适合远距离通信。
• 速度限制：理论上单次只能传 1 位，速率受限于单条线路的信号频率（但现代技术可通过提高单路频率弥补，如高速串行接口）。

并行：通信数据可以多个bit同时传输

定义

数据通过多条独立的传输线路同时传输，即一个数据字节（8 位）可以通过 8 条线路同时发送，一次完成整个字节的传输。

核心特点

• 线路多：需要与数据位数相同（或更多）的线路（如 8 位数据需 8 条数据线，通常还需额外的时钟线、地线），硬件成本高、布线复杂。
• 多位并行传输：多个数据位（如 8 位、16 位）同时发送，理论上速度是同频率串行通信的 N 倍（N 为线路数）。
• 抗干扰弱：线路密集时，信号间 “串扰” 严重（尤其高频传输时）；且长距离传输中，不同线路的信号延迟差异会导致 “数据错位”（同步困难），因此仅适合短距离。
• 速度优势有限：虽然单次数据传得多，但受限于串扰和同步问题，实际速率难以无限提升（高频下反而不如优化后的串行通信）。

3、  

异步：通信双方没有链接时钟线，必须提前规定收发速率

定义

发送端和接收端不需要共享时钟信号，双方可以使用各自独立的时钟（只要时钟频率在允许范围内接近即可）。数据以 “离散的帧（Frame）” 为单位传输，每个帧的开头和结尾会添加 “起始位” 和 “停止位” 作为标记，告诉接收端 “数据开始了” 和 “数据结束了”。

核心特点

• 无共享时钟：双方时钟可独立运行（允许一定误差，通常 ±5% 以内），硬件实现简单。
• 帧格式标记：每个数据帧（如一个字节）的结构固定，例如 “1 位起始位（低电平）+8 位数据位 + 1 位停止位（高电平）”，通过这些标记让接收端识别数据边界。
• 传输有间隔：帧与帧之间可以有任意时长的空闲时间（接收端等待下一个起始位即可），无需连续传输。
• 容错性较强：即使时钟有微小偏差，因每帧长度短（通常 10-11 位），偏差不会累积到导致数据错误的程度，适合长距离、中低速率场景。

同步：通信双方有时钟线链接，可以通过相同时钟来执行操作

定义

发送端和接收端使用同一个时钟信号（或严格同步的时钟） 来协调数据传输节奏，双方在 “统一的时间节拍” 下收发数据。数据以 “连续的数据流” 形式传输，无需额外标记分隔单个数据单元（如字节），接收端通过时钟信号的节拍来判断每一位数据的开始和结束。

核心特点

共享时钟：发送端和接收端必须保持时钟同步（可以是发送端提供时钟，也可以是双方通过锁相环等技术实现时钟对齐）。

连续传输：数据像 “流水” 一样连续发送，没有额外的间隔或标记（除非传输结束），效率高。

无额外标记：不需要用 “起始位 / 停止位” 等标记来分隔数据，数据密度更高（每一位都是有效数据）。

对同步要求极高：若时钟出现微小偏差，累积后可能导致数据错位（比如把 “101” 错读成 “110”），因此适合短距离、高速率场景。

两者的本质是 **“如何解决收发双方的节奏对齐问题”**：

同步通信靠 “共享时钟” 实现严格对齐，适合高速、短距离、对效率要求高的场景（如芯片内部通信）；

异步通信靠 “数据帧标记” 实现松散对齐，适合低速、长距离、对硬件成本敏感的场景（如串口、网络通信）。

4、串口通信属于哪一类？

异步，全双工，串行

5、串口通信的电器表达有哪些？

串口通信的 “电气表达”，本质是指其在电气层面的实现规范—— 包括信号电平定义、传输方式（单端 / 差分）、接口形式、抗干扰能力等核心特性。不同的电气规范决定了串口通信的传输距离、稳定性和适用场景，其中最主流、最常用的是 RS-232、RS-485、RS-422 三大标准，此外还有面向芯片级短距离通信的 TTL 串口。

一、主流串口通信的电气规范详解

1. RS-232（EIA RS-232）：短距离单端传输标准

RS-232 是最早普及的串口电气标准，主要用于设备间短距离点对点通信（如早期电脑与调制解调器、打印机的连接），核心特点是 “单端传输”（信号相对于地电平定义）。

核心电气特性：

• 信号电平定义（与 “逻辑电平” 反向）：
  • 逻辑 “1”：-3V ~ -15V（负电平）；
  • 逻辑 “0”：+3V ~ +15V（正电平）；
  • 注意：电压范围需超出 ±3V 才被视为有效信号，±3V 之间为 “不确定区域”（避免噪声误判）。
• 传输方式：单端传输（信号通过一根线传输，参考 “地（GND）” 电平）；
• 传输距离与速率：
  • 标准速率下（≤20kbps），最大传输距离约 15 米；
  • 速率越高，距离越短（如 115.2kbps 时，距离通常＜5 米）；
• 抗干扰能力：弱（单端传输易受共模干扰，如电源线噪声、地线波动）；
• 接口形式：经典为 DB9 接口（9 针公头 / 母头），部分设备用 DB25（25 针，现已极少）；
• 典型引脚（DB9）：仅需 3 根核心线即可通信（其他为控制信号，非必需）：
  • 2 脚（RXD）：接收数据；
  • 3 脚（TXD）：发送数据；
  • 5 脚（GND）：公共地线；
• 适用场景：短距离点对点设备连接（如电脑与调试模块、老式串口打印机）。

2. RS-485（EIA RS-485）：工业级差分传输标准

RS-485 是为解决 RS-232“传输近、抗干扰弱” 问题设计的工业级标准，核心特点是 “差分传输”（通过两根线的电压差定义信号），支持多节点组网（一台主机连接多台从机）。

核心电气特性：

• 信号电平定义（差分电压）：
  • 逻辑 “1”：B 线电压 - A 线电压 ＞ +200mV（即 B＞A）；
  • 逻辑 “0”：B 线电压 - A 线电压 ＜ -200mV（即 A＞B）；
  • 无需参考地电平（仅依赖 A、B 线的压差），抗共模干扰能力极强；
• 传输方式：差分传输（通过两根双绞线：A 线（DATA-）、B 线（DATA+））；
• 传输距离与速率：
  • 低速下（≤100kbps），最大传输距离可达 1200 米；
  • 高速下（10Mbps），距离缩短至 15 米（速率与距离成反比）；
• 抗干扰能力：强（差分传输可抵消共模噪声，适合工业现场复杂电磁环境）；
• 节点数：最多支持 32 个节点（通过中继器可扩展至更多）；
• 双工模式：默认半双工（需通过 “收发控制引脚（DE/RE）” 切换发送 / 接收状态），部分芯片支持全双工（需额外增加一对差分线）；
• 接口形式：无固定接口，工业中常用 端子台（方便接双绞线），或兼容 DB9 接口；
• 典型引脚：A（DATA-）、B（DATA+）、GND（可选，增强稳定性）；
• 适用场景：工业现场组网（如传感器、PLC、变频器之间的通信）、长距离数据采集（如楼宇自控、智能电表抄表）。

3. RS-422（EIA RS-422）：全双工差分传输标准

RS-422 与 RS-485 同属差分传输标准，但核心差异是支持全双工通信（无需切换收发状态），主要用于 “点对点或一点对多点（仅接收）” 场景。

核心电气特性：

• 信号电平定义：与 RS-485 完全一致（依赖 A、B 线差分电压，±200mV 阈值）；
• 传输方式：差分传输，但需 两对差分线（分别用于发送和接收）：
  • 发送端：TX+（B1）、TX-（A1）；
  • 接收端：RX+（B2）、RX-（A2）；
• 传输距离与速率：与 RS-485 接近（低速 1200 米，高速 15 米）；
• 抗干扰能力：强（同差分传输机制）；
• 节点数：仅支持 “1 个发送端 + 最多 10 个接收端”（不支持多节点发送，无法组网，仅点对点或 “一主多从接收”）；
• 双工模式：全双工（发送和接收独立，可同时进行）；
• 适用场景：需要实时双向通信的短距离工业场景（如 PLC 与伺服驱动器、高精度传感器的高速数据交互）。

4. TTL 串口：芯片级短距离通信标准

TTL 串口并非 “正式工业标准”，而是芯片内部或板间短距离串行通信的电气规范（如单片机、FPGA、模块间的通信），核心是 “低电压单端传输”。

核心电气特性：

• 信号电平定义（与 “逻辑电平” 一致，分 5V/3.3V 两种）：
  • 5V TTL：逻辑 “1”=4.0V~5.0V，逻辑 “0”=0V~0.8V；
  • 3.3V TTL：逻辑 “1”=2.4V~3.3V，逻辑 “0”=0V~0.4V；
• 传输方式：单端传输（依赖 GND 为参考）；
• 传输距离与速率：
  • 速率≤115.2kbps 时，最大距离仅 1~3 米（超短距离）；
  • 速率越高，距离越短（如 1Mbps 时＜1 米）；
• 抗干扰能力：极弱（低电压信号易受噪声影响，仅适合板内或相邻板间通信）；
• 接口形式：无固定接口，通常为 “杜邦线引脚”（如 Arduino 的 TX/RX 引脚、模块的排针）；
• 典型引脚：TX（发送）、RX（接收）、GND（地）；
• 注意事项：TTL 电平与 RS-232 电平不兼容（前者低电压，后者正负高压），需通过 “电平转换芯片”（如 MAX232）转换后才能互通；
• 适用场景：芯片级通信（如单片机与 GPS 模块、蓝牙模块的板间连接）。