12.串口通讯

Posted 2020-08-09 Schling

1、串口通信的特点：异步、电平信号、串行
(1)、异步：串口通信的发送方和接收方之间是没有统一的时钟信号的。
(2)、电平信号：串口通信出现的时间较早，速率较低，传输的距离较近，所以干扰还不太明显，因此当时使用了电平信号传输。后期出现的传输协议都改成差分信号传输了。
(3)、串行通信：串口通信每次同时只能传输1个二进制位。

2、RS232电平和TTL电平
(1)电平信号是用信号线电平减去参考线电平得到电压差，这个电压差决定了传输值是1还是0.
(2)在电平信号时多少V代表1，多少V代表0不是固定的，取决于电平标准。譬如RS232电平中-3V～-15V表示1；+3～+15V表示0；TTL电平则是+5V表示1，0V表示0.
(3)不管哪种电平都是为了在传输线上表示1和0.区别在于适用的环境和条件不同。RS232的电平定义比较大，适合干扰大、距离远的情况；TTL电平电压范围小，适合距离近且干扰小的情况。
(4)我们台式电脑后面的串口插座就是RS232接口的，在工业上用串口时都用这个，传输距离小于15米；TTL电平一般用在电路板内部两个芯片之间。
(5)对编程来说，RS232电平传输还是TTL电平是没有差异的。所以电平标准对硬件工程师更有意义，而软件工程师只要略懂即可。（把TTL电平和RS232电平混接是不可以的）

3、波特率
(1)波特率（bandrate），指的是串口通信的速率，也就是串口通信时每秒钟可以传输多少个二进制位。譬如每秒种可以传输9600个二进制位（传输一个二进制位需要的时间是1/9600秒，也就是104us），波特率就是9600.
(2)串口通信的波特率不能随意设定，而应该在一些值中去选择。一般最常见的波特率是9600或者115200（低端单片机如51常用9600，高端单片机和嵌入式SoC一般用115200）.为什么波特率不可以随便指定？主要是因为：第一，通信双方必须事先设定相同的波特率这样才能成功通信，如果发送方和接收方按照不同的波特率通信则根本收不到，因此波特率最好是大家熟知的而不是随意指定的。第二，常用的波特率经过长久发展，就形成了共识，大家常用就是9600或者115200.

4、起始位、数据位、奇偶校验位、停止位
(1)串口通信时，收发是一个周期一个周期进行的，没周期传输n个二进制位。这一个周期就叫做一个通信单元，一个通信单元是由：起始位+数据位+奇偶校验位+停止位组成的。
(2)起始位表示发送方要开始发送一个通信单元；数据位是一个通信单元中发送的有效信息位；奇偶校验位是用来校验数据位，以防止数据位出错的；停止位是发送方用来表示本通信单元结束标志的。
(3)起始位的定义是串口通信标准事先指定的，是由通信线上的电平变化来反映的。
(4)数据位是本次通信真正要发送的有效数据，串口通信一次发送多少位有效数据是可以设定的（一般可选的有6、7、8、9，99%情况下我们都是选择8位数据位。因为我们一般通过串口发送的文字信息都是ASCII码编码的，而ASCII码中一个字符刚好编码为8位。）
(5)奇偶校验位是用来给数据位进行奇偶校验（把待校验的有效数据逐个位的加起来，总和为奇数奇偶校验位就为1，总和为偶数奇偶校验位就为0）的，可以在一定程度上防止位反转。
(6)停止位的定义是串口通信标准事先指定的，是由通信线上的电平变化来反映的。常见的有1位停止位，1.5位停止位，2位停止位等。99%情况下都是用1位停止位。

总结：串口通信时因为是异步通信，所以通信双方必须事先约定好通信参数，这些通信参数包括：波特率、数据位、奇偶校验位、停止位（串口通信中起始位定义是唯一的，所以一般不用选择）

5、单工通信和双工通信
(1)单工就是单方向，双工就是双方同时收发，同时只能但方向但是方向可以改变叫半双工
(2)如果只能A发B收则单工，A发B收或者B发A收（两个方向不能同时）叫半双工，A发B收同时B发A收叫全双工。

6、信息以二进制流的方式在信道上传输
(1)、串口通信的发送方每隔一定时间（时间固定为1/波特率，单位是秒）将有效信息（1或者0）放到通信线上去，逐个二进制位的进行发送。
(2)接收方通过定时（起始时间由读到起始位标志开始，间隔时间由波特率决定）读取通信线上的电平高低来区分发送给我的是1还是0。依次读取数据位、奇偶校验位、停止位，停止位就表示这一个通信单元（帧）结束，然后中间是不定长短的非通信时间（发送方有可能紧接着就发送第二帧，也可能半天都不发第二帧，这就叫异步通信），下来就是第二帧·····
总结：第一，波特率非常重要，波特率错了整个通信就乱套了；数据位、奇偶校验位、停止位也很重要，否则可能认不清数据。第三，通过串口不管发数字、还是文本还是命令还是什么，都要先对发送内容进行编码，编码成二进制再进行逐个位的发送。
(3)串口发送的一般都是字符，一般都是ASCII码编码后的字符，所以一般设置数据位都是8，方便刚好一帧发送1个字符。

7、S5PV210的串口控制器工作原理框图

(1)整个串口控制器包含transmitter和receiver两部分，两部分功能彼此独立，transmitter负责210向外部发送信息，receiver负责从外部接收信息到210内部。
(2)总线角度来讲，串口控制器是接在APB总线上的。对我们编程有影响的是：将来计算串口控制器的源时钟时是以APB总线来计算的。
(3)transmitter由发送缓冲区和发送移位器构成。我们要发送信息时，首先将信息进行编码（一般用ASCII码）成二进制流，然后将一帧数据（一般是8位）写入发送缓冲区（从这里以后程序就不用管了，剩下的发送部分是硬件自动的），发送移位器会自动从发送缓冲区中读取一帧数据，然后自动移位（移位的目的是将一帧数据的各个位分别拿出来）将其发送到Tx通信线上。
(4)receiver由接收缓冲区和接收移位器构成。当有人通过串口线向我发送信息时，信息通过Rx通信线进入我的接收移位器，然后接收移位器自动移位将该二进制位保存入我的接收缓冲区，接收完一帧数据后receiver会产生一个中断给CPU，CPU收到中断后即可知道receiver接收满了一帧数据，就会来读取这帧数据。
总结：发送缓冲区和接收缓冲区是关键。发送移位器和接收移位器的工作都是自动的，不用编程控制的，所以我们写串口的代码就是：首先初始化（初始化的实质是读写寄存器）好串口控制器（包括发送控制器和接收控制器），然后要发送信息时直接写入发送缓冲区，要接收信息时直接去接收缓冲区读取即可。可见，串口底层的工作（譬如怎么移位的、譬如起始位怎么定义的、譬如TTL电平还是RS232电平等）对程序员是隐藏的，程序员不用去管。软件工程师对串口操作的接口就是发送/接收缓冲区（实质就是寄存器，操作方式就是读写内存）
(5)串口控制器中有一个波特率发生器，作用是产生串口发送/接收的节拍时钟。波特率发生器其实就是个时钟分频器，它的工作需要源时钟（APB总线来），然后内部将源时钟进行分频（软件设置寄存器来配置）得到目标时钟，然后再用这个目标时钟产生波特率（硬件自动的）。

8、自动流控（AFC：Auto flow control）
(1)为什么需要流控？流控的目的是让串口通信非常可靠，在发送方速率比接收方快的时候流控可以保证发送和接收不会漏掉东西。
(2)现在为什么不用流控？现在计算机之间有更好更高级（usb、internet）的通讯方式，串口已经基本被废弃了。现在串口的用途更多是SoC用来输出调试信息的。由于调试信息不是关键性信息、而且由于硬件发展串口本身速度已经相对慢的要死了，所以硬件都能协调发送和接收速率，因此流控已经失去意义了，所以现在基本都废弃了。