串口通信简介——发展历史与基本概念

关于数据通信一些基本概念的介绍请参考我的另一篇博文：数据通信的基本概念_徐大康的博客-CSDN博客

一. 串口的出现与RS232标准

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串行接口 - 维基百科，自由的百科全书 (wikipedia.org)

RS232接口_百度百科 (baidu.com)

RS-232 - 维基百科，自由的百科全书 (wikipedia.org)

1962年，体积较小的个人计算机还没有出现，那时电传打字机和计算机视频终端都需要与调制解调器进行通信，为规范此通信过程，美国电子工业协会（EIA）联合各个厂商发布了EIA-RS-232A标准，其中，RS英文全称是Recommended Standard，是推荐标准的意思；232是标识号；A表示首次发布。

经过几年的实际应用和改进，1970年，EIA对RS232标准进行了第三次修订，发布了RS-232C标准。其中C表示是第三次修订（第二次修订是B）。

EIA-RS-232简称232或RS232，目前最新的标准是1997年发布的EIA-RS232F，但RS232C是应用最广泛，最为人所知的232标准，所以一般人们说到RS232，指的都是RS232C。

RS232是一种串行通信标准，被简称为串口，最初它有22根线，采用DB25接插件，支持同步和异步串口，它的物理接口如下图（左）所示：

DB25接口最初被广泛应用于个人计算机，因为其非常流行，人们还喜欢称它为COM口，意为communication口即通信口，在有多个通信口时，人们用COM1，COM2来称呼它们。

随着技术的发展，设备制造商倾向于体积更小，成本更低的接口，因此，DB25中未使用的和支持同步模式的引脚被去掉了，形成了现在的DB9接口，如上图（右）所示。

这种DB9接口连接可靠，还带屏蔽，曾作为计算机与外设间的通信接口红极一时，虽然现在个人计算机早已淘汰了这种接口，主要原因还是它太大了，不符合计算机小型化、轻量化的需求，但在对连接可靠性要求更高的工业控制领域，DB9接口仍然被广泛使用着，有时还并不是作为RS232的物理接口，而是作为其它通信协议例如CAN通信的接口。

所以，发展到现在，RS232C及其对应的物理接口DB9在个人计算机上已经没有应用了，在工业控制板卡上RS232也应用的较少了，且一般也只用到TX、RX 和 GND这三根线而省略其它控制线，但DB9接口还在广泛使用。

二. RS422的发展

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RS232应用很广泛，但也有其局限性，传输距离短、速度较慢、不支持组网这三个缺点使得RS232C在长距离传输、较大数据量和需要组网的应用环境下变得不再适用。为了解决这一问题，1977年，EIA发布了RS422A标准。

RS422的全称是“平衡电压数字接口电路的电气特性”，最新版标准是RS422B。

RS422的比特率可达100kps~10Mbps（取决于数据线长度），最大传输距离可达1200米，也支持一主多从（单个发送端最多10个接收端）的组网方式，这些是RS422相对RS232的主要改进。

为支持长距离传输，RS422采用差分传输，共五根线，TX+、TX-、RX+、RX- 和 GND，它并没有规定特定的物理接口，但实际使用时一般沿用RS232的DB9接口。

虽然RS422能轻松连接一个发送端与10个接收端，但这时接收端只能接收而不能反过来发送数据，这相当于一种广播形式的连接，还没有实现多点间可互相收发的通信，所以，RS422标准实际应用的并不多，一般是作为RS232的扩展，等到它的改进版标准RS485推出之后，RS422基本销声匿迹了，成了串口通信历史的一个过客。

三. RS485的发展与应用

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为弥补RS422无法实现多点互收发通信的不足，1983年，EIA在RS422的基础上制定了RS485A标准，增加了多点、双向通信能力，即允许多个发送器连接到同一条总线上。

RS485是一个异步半双工的串行通信协议。在硬件构成上，RS422相当于两组RS485，即两个半双工RS485构成了RS422，所以有时RS422又被称为全双工RS485。

因为是半双工通信，RS485将RS422的五根线缩减为三根，分别是A+、B- 和 GND，+表示差分的正端，-表示差分的负端。

同RS422一样，RS485也没有规定物理接口。

RS485标准因为线数少、抗干扰性强、可灵活组网等优点在工业控制领域有着较广泛的应用。

四. UART及其与RS232、RS422 和 RS485的关系

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UART，Universal Asynchronous Receiver/Transmitter，通用异步收发器，是一种通信协议，它规定了数据的开始位、停止位、校验位等数据如何组织的规则。

RS232、RS422 和 RS485这些标准只规定了通信的电气规则，像RS485规定二进制0的电平是+1.5 ~ +6V，二进制1的电平是-6 ~ -1.5V，它们并没有指定用什么方式组织数据。理论上，用除UART协议外的协议来组织发送数据，再通过RS232等接口规定的电平标准来完成数据收发是可行的，但一般没人这么干，因为UART足够简单且能满足要求了，所以上述三种标准采用UART协议组织数据已成为了一种事实标准，这一点我们从UART名字中的通用两字就可以看出端倪。

因为UART都是由CPU、MCU等控制器或专用芯片产生的，所以UART的原始电平一般为TTL电平即低电平0V、高电平3.3V或5V。所以，单独说UART指的就是TTL电平的异步串行通信协议。它有三根线，TX、RX 和 GND，没有规定物理接口，一般直接用几根插针或者几个圆孔作为接口。

因为TTL电平传输距离非常短，所以UART总是需要转换成其它电平标准，而向RS232、RS485 和 USB这三种转换是最多的。大名鼎鼎的MAXIM（美信）就起家于一个TTL电平转±15V的RS232电平的一个芯片——MAX232。同样著名的还有该公司的MAX485，该芯片的功能是将TTL电平转为RS485电平。UART转USB的需求也非常庞大，最著名的芯片是FTDI公司的FT232RL，国产的CH340G也不错。下图展示了一块使用FT232芯片的UART转micro-USB的板卡。

五. 串口概念的总结

从串口的发展历史我们知道，串口的说法最初指的是最流行的串行通信标准RS232。又因为RS422 和 RS485是在RS232基础上发展而来的，所以串口也可以指代它们。而UART是这几个标准均采用UART通讯协议，所以串口也包含了UART。

总结一下，串口指的就是RS232、RS422、RS485 和 UART 这几种通信标准/协议。因为RS422基本很少见到了，所以我们日常说的串口，指的就是RS232、RS485 和 UART这三种。它们的一些特征如下表所示：

串口类别	RS232	RS485	UART
通信类别	异步串行通信	异步串行通信	异步串行通信
通信协议	UART	UART	UART
物理接口	DB9	未规定	未规定
半/全双工	全双工	半双工	全双工
信号线数量	标准9根，一般使用时简化为3根， Tx，Rx，GND	3根 A+，B-，GND	3根 Tx，Rx，GND
逻辑电平	RS232电平 逻辑1：-15V ~ -5V 逻辑0：+3V ~ +15V	RS485电平 逻辑1：+2V ~ +6V 逻辑0：-6V ~ -2V	TTL电平 逻辑1：+2.4V ~ +5V 逻辑0：0V ~ +0.5V
传输距离	较短，<15米	较长，<1200米	最短，<5米
传输速度	较慢，与距离有关， 一般<20kbps	较快，与距离有关 一般100kbps~10Mbps	较慢，与距离有关 一般采用固定速度， 如9600bps、115200bps等 最快一般不超过921600bps
应用场景	工业上PCB板间通信， 应用越来越少	工业上PCB板间通信， 相对RS232应用多一些	主要用作调试接口， 通过UART转USB后与电脑通信

串口是一种习惯性的叫法，它并不特指哪一种具体的标准/协议，一般我们在描述的时候会说RS232串口、RS485串口、UART串口，以此来说明我们说的到底是哪一种串口。

三种串口可以通过专用芯片实现互转，也可以转为USB连接电脑，在电脑侧安装好对应的驱动，再借助各种串口调试工具即可实现在电脑上收发串口数据，甚至能看到波形。这是一种常用的代码调试手段。目前市面上已经有了多种串口转USB的工具，其中一种如下图所示：

六. 参考书目

1.《串行通信接口规范与标准》 [美] Louis E. Frenzel Jr 编著，林赐 翻译（第25章，第26章，第28章）

2.《串行通信技术 面向嵌入式系统开发》 周云波 编著（第一章）