【知识分享】异步串行收发器Uart（串口）-通信协议详解

前言

什么是串口？

        串口意思是串行通信接口，与之对应的是并行通信接口。下面具体来看下什么是串行通信和并行通信。

串行通信

        串行通信，就是数据是按时间先后顺序一串串发出去的。比如现在要发一个13（对应二进制是1101）的数据，那第一个时钟周期先给一个1，第二个时钟周期给个0，第三个给1，第四个给1。然后当对方这四个时钟周期接收到这4个数据后，再把它还原成原本13的数据，这就完成了一次串行通信。

并行通信

        并行通信，就是数据是按空间角度并行发送的。比如现在一样要发一个13（对应二进制是1101）的数据，那如果要在同一时刻发出去，那最少需要有4根数据线，第一根发送数据1，第二根发数据0，第三根数据1，第四根数据1。然后当对方在这个时刻收到这4个数据后，再把它还原成原本13的数据，这就完成了一次并行通信。

串并两者对比

	串行通信	并行通信
IO口资源	占用少	占用多
通信效率	效率低	效率高
适合场景	远距离传输	近距离传输

        串行通信包括同步串行通信和异步串行通信，同步串行通信有IIC、SPI等这种带同步时钟信号的通信方式，而异步串行通信则是像UART、CAN等这种不带同步时钟信号的。而玩单片机的应该都知道，一般说的串口，都是特指UART这种。

各种串行通信对比

	UART	CAN	SPI	IIC
通信方式	全双工	半双工	全双工	半双工
线制	2线制	2线制	3/5线制	2线制

        单工：通信双方中，一方固定为发送端，一方则固定为接收端。信息只能沿一个方向传输，使用一根传输线。

        半双工：数据传输指数据可以在一个信号载体的两个方向上传输，但是不能同时传输。

        全双工：通信允许数据在两个方向上同时传输，它在能力上相当于两个单工通信方式的结合。

通用异步收发传输器-UART

概述

        轮到我们的主角登场了，通用异步收发传输器（Universal Asynchronous Receiver/Transmitter)，通常称作UART。如上文所说，UART属于异步串行通信的，所以它并没有时钟线，总共就只有收（RX）跟发（TX）两根数据线，两根数据线可独立工作，互不冲突，所以它是可以进行全双工通信的。这时候问题就来了，因为串行通信是把数据分割到不同时间段时进行发送，而此时使用UART通信的双方并没有时钟线进行时钟同步，那怎么知道对方哪个时刻发的是什么数据呢？所以这里要引进一个概念，叫波特率。

波特率

        波特（Baud）即调制速率，指的是有效数据讯号调制载波的速率，即单位时间内载波调制状态变化的次数。由于没有用于同步双方通信信号的时钟信号，所以通信时需要双方按照同样的通信速度进行通信。波特率表示的是一秒钟传输的位数。比如波特率9600，就表示1秒钟可以传输9600个位（bit），波特率19200则表示1秒钟可以传输19200个位（bit）。因此波特率越高，表示速度越快。

通信时序

        这里分四个部分来讲，分别是起始位，数据位，校验位，停止位。

起始位

        总线数据从高拉到低，为一个信号的起始，起始的低电平信号需要持续1个位的时间。

数据位

        起始位过后，连续8个位的时间，都是数据位的内容，如果是使用单片机进行编程，这个位数一般是可设的。

校验位

        在数据位的最后一位，会带有一个校验位，如果是使用单片机进行编程，这个位可有可无，一般有三个选项：无校验、奇校验和偶校验。

注：在STM32里的UART，如果选用奇校验或偶校验时，会占用数据位的最后一位作为校验位。也就是说如果设置的是8个数据位，那实际数据位只有7个，最后一个位是校验位。但一些工具则是数据位跟校验位完全独立，比如串口调试工具，设置8个数据位，一个奇校验位，则实际数据收发就是8个数据位再加一个校验位。

停止位

        在数据传输完后，最后需要从低电平变为高电平来表示一个数据的结束，数据结束后，到下个数据的起始之前，需要有一个位时间的高电平，用来表示停止位数。如果是使用单片机进行编程，停止信号的高电平持续时间可根据设置而定。常用的有1个停止位和2个停止位的设置，当然还有0.5和1.5的停止位时间，根据实际使用来定。

从上面的时序来看，我们可以得到几个基本信息：

        1、Uart在空闲时候，一般是保持高电平，这对应STM32单片机里的Uart寄存器中空闲的标志。如果Uart通信总线上一直是保持低电平，则说明此时总线存在异常。

        2、当通信总线上出现高电平到低电平的一个下降沿信号后，低电平持续时间达不到一个位的时间，说明此时通信双方的波特率没有对应上，或者通信总线上存在干扰，对应STM32单片机里的Uart寄存器中噪声的标志。

        3、常见的可配置项，就是波特率、数据位、校验位、停止位，这在很多串口调试工具里都可以看得到。

工具推荐

        串口调试助手sscom，一直在持续更新，目前使用的是5.13.1的版本，比较稳定了。已经集成了很多功能，除串口调试外还可以调试Tcp。

        串口监视助手AccessPort，在进行正常的串口数据收发的同时，还可以监视抓取通信的数据，包括对一些串口的操作也可以抓取，对进行上层协议开发或上位机开发调试有很大的帮助。

相关知识

        STM32、单片机、Modbus