十、串口通信原理介绍

1. 串口基础知识

1.1 串口介绍

  串口是指外设和处理器之间通过数据信号线、地线和控制线等，按位进行传输数据的一种通讯方式。尽管传输速度比并行传输低。但串口可以在使用一根线发送数据的同时用另一根线接收数据。这种通信方式使用的数据线少，在远距离通信中可以节约通信成本。串口通信最重要的参数是波特率、数据位、停止位和奇偶校验位，这些参数在两个通信端口之间必须一致。

1.2 串口通信参数介绍

• 波特率： 衡量通信速度的参数，它表示每秒钟传送的bit的个数。
• 数据位： 衡量通信中实际数据位的参数，表示一个信息包里包含的数据位的个数。
• 停止位： 用于表示单个信息包的最后位，典型值为1、1.5和2位。由于数据是在传输线上传输的，每个设备都有自己的时钟，很有可能在通信过程中出现不同步，停止位不仅仅表示传输的结束，还能提供校正时钟同步的机会。停止位的位数越多，不同时钟同步的容忍程度越大，但是数据传输率也越慢。
• 奇偶检验位： 表示一种简单的检查错误的方式。
• 硬件数据流控：通过使用专用的控制线（通常称为RTS和CTS来协调发送方和接收方之间的数据传输过程，以防止数据丢失或溢出。

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1.3 串口工作模式

串口可以工作在异步全双工 、同步半双工 和单线半双工模式下。

• 异步全双工：
  • 异步：指的是通信双方不需要共享一个共同的时钟信号。数据传输的起始和结束通过特定的帧格式、起始位、停止位或者特定的同步字符来标识，允许发送和接收端各自独立工作，不必严格同步它们的时钟。这使得异步通信更加灵活，但可能引入一些开销，如额外的同步信息。
  • 全双工：表示数据可以同时在两个方向上传输。也就是说，通信双方都能同时发送和接收数据，如同有两个独立的通道，互不影响，提高了通信效率，适合于需要高速、双向实时通信的场景，如以太网通信。
• 同步半双工：
  • 同步：在同步通信中，发送和接收设备之间需要一个共同的时钟信号，用以同步数据的传输节奏。这通常通过一个时钟引脚或在数据流中嵌入同步位来实现。同步通信可以提供更高的数据传输速率，因为它减少了用于数据包同步的开销。
  • 半双工：半双工模式允许数据在两个方向上传输，但不能同时进行。通信双方需要轮流进行发送和接收。例如，经典的RS-485总线在半双工模式下，一次只能进行发送或接收操作，需要通过控制线切换方向。这种方式适用于对实时性要求不高、双向通信但不需要同时收发的场合。
• 单线半双工：
  • 单线半双工：这种模式通常特指使用一根信号线既用于发送也用于接收数据，但不能同时进行，属于半双工通信的一种特殊形式。

1.4 串口通信协议

  串口在进行通信的时候会按照数据包的形式进行发送，帧格式如下图。

  串口通信是一位一位地传输，每传输一个字节总是以起始位开始，以停止位结束，字符之间没有固定的时间间隔要求。每一个字符的前面都有一位起始位（低电平），后面由8位数据位组成，如果开启了校验位，则最后一位数据位是校验位，最后是停止位。停止位后面是不定长的空闲位，停止位和空闲位都规定为高电平。

2. 串口1接线图

我们这里使用PA9（TX引脚）和PA10（RX引脚）的GPIO复用功能