玳瑁的嵌入式日记---0928（ARM--UART）

一、通信双工模式（数据传输方向）

        根据通信过程中数据传输的方向和同时性，可分为单工、半双工、全双工三种模式，三者的核心差异体现在信道使用方式与冲突风险上。

1. 单工通信

• 定义：数据只能实现单向传输，即从 “发送端” 向 “接收端” 传递数据，接收端无法向发送端反馈信息，整个通信链路是单向不可逆的。
• 核心特点：仅有一条单向信道，无需考虑 “冲突” 问题（因为接收端不会发送数据）；发送端和接收端的角色固定不变，发送端只负责数据发送，接收端只负责数据接收；硬件结构简单，成本较低。
• 典型应用：广播信号传输、电视信号传输、红外遥控器与设备的通信。

2. 半双工通信

• 定义：数据能够实现双向传输，但无法在同一时间内双向进行 —— 同一时刻，通信链路仅允许一个方向的数据流动，发送端和接收端需要 “交替” 工作，即 “发送数据时不能接收，接收数据时不能发送”。
• 核心特点：共享一条信道（或一组信道），通过 “分时复用” 的方式实现双向通信，也就是 “轮流占用信道”；存在 “冲突风险”，若通信双方同时发送数据，会导致信号叠加、数据丢失，因此需要额外的冲突避免机制（如 “载波监听”）；发送端和接收端的角色可以根据需求切换。
• 典型应用：对讲机通信、早期以太网通信、RS-485 通信（默认模式）。

3. 全双工通信

• 定义：数据能够在同一时刻实现双向传输，发送端和接收端可以 “同时” 发送和接收数据，相当于存在 “两条独立的单向信道”（一条用于从 A 到 B 传输，一条用于从 B 到 A 传输），通信链路是 “双向同步” 的。
• 核心特点：拥有两条独立信道（或一条信道划分成两个子信道），无需 “分时复用”，数据发送和接收可并行进行；不存在 “冲突风险”（因为双向数据通过不同信道传输），通信效率在三种模式中最高；能够支持实时交互场景。
• 典型应用：手机通话、现代以太网通信、RS-422 通信、串口通信。

二、通信传输方式（数据位传输方式）

        根据数据位的并行传输程度，可分为串行通信和并行通信，二者的核心差异集中在传输线路数量、传输速率和抗干扰能力上。

1. 串行通信

• 定义：通过一条传输线路（或一对线路，包含地线）逐位传输数据，例如一个 8 位的数据字节，需要分成 8 次，按照一定顺序（如先传最高位，再传次高位，最后传最低位）一位一位地发送，接收端再将接收到的各位数据逐位拼接，还原成完整的数据。
• 核心特点：
  • 线路数量少：仅需要 1 条（或 2 条，含地线）传输线，硬件成本低，布线简单，适合复杂环境下的布线需求。
  • 依赖时序同步：数据位按时间顺序依次发送，需要严格的 “时序同步”—— 发送端和接收端需提前约定好传输速率，确保每一位数据都能准确对齐。
  • 抗干扰能力强：由于线路数量少，在长距离传输时，不同线路之间信号的 “串扰”（信号互相干扰）风险低，适合远距离通信场景。
  • 速率存在限制：理论上单次只能传输 1 位数据，传输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线路的信号频率来弥补这一不足（如高速串行接口）。
• 典型应用：串口通信（RS-232、RS-485）、USB 通信、现代以太网通信。

2. 并行通信

• 定义：通过多条独立的传输线路同时传输数据，例如一个 8 位的数据字节，可以通过 8 条线路同时发送，一次就能完成整个字节的传输。
• 核心特点：
  • 线路数量多：需要与数据位数相同（或更多）的线路，如 8 位数据需要 8 条数据线，通常还需额外配备时钟线、地线，硬件成本高，布线复杂。
  • 速率有优势：多个数据位（如 8 位、16 位）可同时发送，理论上传输速度是相同频率下串行通信的 N 倍（N 为线路数量），单次传输的数据量较大。
  • 抗干扰能力弱：线路密集时，不同线路之间的信号 “串扰” 问题严重（尤其在高频传输场景下）；且在长距离传输过程中，不同线路的信号延迟存在差异，会导致 “数据错位”（同步困难），因此仅适合短距离通信。
  • 速率上限有限：虽然单次传输的数据量多，但受限于串扰和同步问题，实际传输速率难以无限提升，在高频场景下，反而不如优化后的串行通信。
• 典型应用：计算机内部总线（如 PCI 总线）、早期打印机并行接口、芯片内部通信。

三、通信同步方式（收发节奏协调）

        通信同步方式主要解决 “收发双方如何对齐数据节奏” 的问题，可分为异步通信和同步通信，核心差异在于是否共享时钟信号。

1. 异步通信

• 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，每个数据帧的开头和结尾会分别添加 “起始位” 和 “停止位” 作为标记，用于告诉接收端 “数据开始了” 和 “数据结束了”。
• 核心特点：
  • 无需共享时钟：双方的时钟可独立运行（允许一定误差，通常在 ±5% 以内），硬件实现简单，无需额外布置时钟线。
  • 帧格式固定：每个数据帧（如一个字节）的结构固定，例如常见的 “1 位起始位（低电平）+8 位数据位 + 1 位停止位（高电平）”，接收端通过这些固定的标记来识别数据的边界。
  • 传输存在间隔：数据帧与数据帧之间可以有任意时长的空闲时间，接收端只需等待下一个数据帧的起始位即可，无需连续传输数据。
  • 容错性较强：即使发送端和接收端的时钟存在微小偏差，由于每帧数据的长度较短（通常为 10-11 位），偏差不会累积到导致数据错误的程度，适合长距离、中低速率的通信场景。
• 典型应用：串口通信、Modem 通信、网络通信。

2. 同步通信

• 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，无需额外添加标记来分隔单个数据单元（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：
  • 需共享时钟：发送端和接收端必须保持时钟同步，同步方式可以是发送端提供时钟信号，也可以是双方通过锁相环等技术实现时钟对齐，硬件复杂度较高。
  • 数据连续传输：数据像 “流水” 一样连续发送，除传输结束外，没有额外的间隔或标记，通信效率高。
  • 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，随着传输时间的累积，偏差会逐渐增大，可能导致数据错位（比如把 “101” 错读成 “110”），因此适合短距离、高速率的通信场景。
• 典型应用：芯片内部通信、高速数据采集系统、SD 卡通信。

四、串口通信的归类与电气规范

1. 串口通信的核心归类

        串口通信是典型的异步、全双工、串行通信，融合了三种模式的核心特点：通过串行方式逐位传输数据，支持全双工同时收发数据，借助异步通信的帧标记实现数据节奏对齐。

2. 串口通信的电气规范（电气层面实现）

        串口通信的 “电气规范”，本质是其在电气层面的实现标准，涵盖信号电平定义、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，主流规范包括 RS-232、RS-485、RS-422 和 TTL 串口。

（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）。

• 信号电平定义：与 “逻辑电平” 反向，逻辑 “1” 对应的电平为 - 3V~-15V（负电平），逻辑 “0” 对应的电平为 + 3V~+15V（正电平）；需注意，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”，可避免噪声导致的误判。
• 传输方式：单端传输，即信号通过一根线传输，参考 “地（GND）” 电平。
• 传输距离与速率：在标准速率下（≤20kbps），最大传输距离约为 15 米；传输速率越高，传输距离越短，如速率为 115.2kbps 时，传输距离通常小于 5 米。
• 抗干扰能力：弱，单端传输方式容易受到共模干扰（如电源线噪声、地线波动）的影响。
• 接口形式：经典接口为 DB9 接口（9 针公头 / 母头），部分设备曾使用 DB25 接口（25 针，目前已极少使用）。
• 典型引脚（DB9）：仅需 3 根核心线即可实现通信（其他为控制信号，非必需），分别是 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、老式串口打印机的通信。

（2）RS-485（EIA RS-485）：工业级差分传输标准

RS-485 是为解决 RS-232“传输距离近、抗干扰能力弱” 的问题而设计的工业级标准，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）。

• 信号电平定义：基于差分电压，逻辑 “1” 的判定条件是 B 线电压 - A 线电压 ＞ +200mV（即 B＞A），逻辑 “0” 的判定条件是 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，通过两根双绞线实现，分别为 A 线（DATA-）、B 线（DATA+）。
• 传输距离与速率：在低速传输下（≤100kbps），最大传输距离可达 1200 米；在高速传输下（10Mbps），传输距离缩短至 15 米，整体呈现 “速率与距离成反比” 的特点。
• 抗干扰能力：强，差分传输方式可抵消共模噪声，适合工业现场复杂的电磁环境。
• 节点数：最多支持 32 个节点，通过中继器可将节点数量扩展至更多。
• 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，工业场景中常用端子台（方便连接双绞线），或兼容 DB9 接口。
• 典型引脚：A（DATA-）、B（DATA+）、GND（可选，连接后可增强通信稳定性）。
• 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。

• 信号电平定义：与 RS-485 完全一致，依赖 A、B 线的差分电压，以 ±200mV 为判定阈值。
• 传输方式：差分传输，但需配备两对差分线，分别用于发送和接收，即发送端的 TX+（B1）、TX-（A1），接收端的 RX+（B2）、RX-（A2）。
• 传输距离与速率：与 RS-485 接近，低速传输时可达 1200 米，高速传输时为 15 米。
• 抗干扰能力：强，与 RS-485 采用相同的差分传输机制，可有效抵御干扰。
• 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，无法实现复杂组网，仅适用于点对点或 “一主多从接收” 场景。
• 双工模式：全双工，发送和接收通道相互独立，可同时进行数据传输。
• 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”，而是芯片内部或电路板之间短距离串行通信的电气规范（如单片机、FPGA、模块间的通信），核心特点是 “低电压单端传输”。

• 信号电平定义：与 “逻辑电平” 一致，分为 5V 和 3.3V 两种类型。5V TTL 中，逻辑 “1” 对应的电平为 4.0V~5.0V，逻辑 “0” 对应的电平为 0V~0.8V；3.3V TTL 中，逻辑 “1” 对应的电平为 2.4V~3.3V，逻辑 “0” 对应的电平为 0V~0.4V。
• 传输方式：单端传输，依赖 GND 作为参考电平。
• 传输距离与速率：当传输速率≤115.2kbps 时，最大传输距离仅为 1~3 米（属于超短距离）；传输速率越高，传输距离越短，如速率为 1Mbps 时，传输距离小于 1 米。
• 抗干扰能力：极弱，低电压信号容易受到噪声影响，仅适合电路板内部或相邻电路板之间的通信。
• 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（发送数据）、RX（接收数据）、GND（地）。
• 注意事项：TTL 电平与 RS-232 电平不兼容（前者为低电压，后者为正负高压），若需实现二者互通，需通过 “电平转换芯片”（如 MAX232）进行转换。
• 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。