串口编程入门

Posted 2020-10-18

嵌入式系统中，诸多设备都可以通过串口来控制，比如WiFi、蓝牙、RFID等等，因此在嵌入式设备中使用串口就显得特别重要。

首先，有几个概念简单澄清一下。

RS232、RS485和TTL指的是电气电平标准。一般而言，TTL使用0V表示低电平，+5V表示高电平。RS232使用负逻辑电平，即+3V ~ +15V表示低电平，-3V ~ -15V表示高电平。RS485和RS232一样都是基于串口的通讯接口，数据收发的操作是一致的，RS485采用差分信号负逻辑，+2V～+6V表示低电平，- 6V～-2V表示高电平。

以上三个协议（RS232、RS485和TTL）是电气特性，规定的是物理层接口要求。物理层标准的建设，就好比各种公路的建设，公路有了我们就可以在上面跑各种汽车，并制定各种汽车的不同行驶规则，这就是通信协议，UART就是其中的一种通信协议，全称是通用异步收发器，规范了在串行通信中，最常见的异步传输的通信模式，下面会有详解。

平常说的串口、COM口指的是物理接口，它们通常有9针和4针两种样式标准。4针串口标准中的四个管脚分别是：VCC、TX、RX和GND，其中TX和RX分别是发送端（Transmit）和接收端（Receive）。一般而言两个串行口互相收发信息的时候，需要让他们的这两个管×××互相连，即A口的TX接B口的RX，反过来A口的RX接B口的TX。

在左边儿的D型9针接口中，一般而言实际用到的也是VCC、TX、RX和GND四个脚。

下面就来具体看看串口是怎么回事。

串口通常指的是串行接口，这跟并行接口相对而言。比如有一个8-bits的数据从A发往B，并行和串行的区别分别如下面所示。

可以看到，串行传输只需要一根线缆就够了，而并行的话需要8根线。他们各自的特点如下：

1. 串行传输线缆少，因此信号衰减较慢，电磁兼容性较好，传输距离较长；并行传输线缆多，因此信号衰减较快，电磁兼容性较差，传输距离短。

2. 串行传输速度乍看起来是并行传输的 1/N ，但实际上由于并行线缆的电磁干扰的物理特性限制，导致并行传输的最高频率（比如几十MHz）要远远低于串行传输的最高频率（高达几十GHz），因此串行传输的速度并不比并行的慢。

3. 串行传输硬件接口简单，占用空间小，成本低；并行传输硬件接口复杂，占用空间大，成本稍高。

4. 串行传输由于线缆少，因此数据的正常传输需要各种特定的算法，软件设计复杂；并行传输每个数据位独立，算法和软件设计相对简单。
   

简单来看，串行传输比并行传输有更多优势，实际上随着各种设备的主频越来越高，串行通信在现代计算机领域越来越大行其道。

那这一根线的串行通信，究竟是怎么传输数据的呢？主要有下面两种办法。

1，同步传输

所谓同步传输，最核心的地方就是用统一的时钟来控制发送方和接收方，然后规定一个同步起始字符，同时规定传输的每个字符包含的位数（一般是5-8位）就可以了。

由于同步传输必须要求收发双方时钟一致，甚至要求使用严格的同一时钟源，而这在多数场合下都是无法达到的要求，因此虽然同步传输比异步传输速度高，但应用更为广泛的还是异步传输。

2，异步传输

顾名思义，异步传输的本质是不要求收发双方时钟的同步性，这意味着他们可以各自有各自的时钟（时钟不需要同步，但频率还得是一样的，不然根本就鸡同鸭讲，即波特率必须得一致），这极大降低了工程实施的复杂性。因此着重要关注的是异步传输。

既然是异步传输，即发送方随时可以发送数据过来，事先是没有跟接收方有过任何协同商量的，那接收方很自然地就会有个疑问：你的数据究竟什么时候过来？一般的做法是这样：规定一个空闲的电位状态（比如高电平），然后规定一个起始位（比如一个低电平时钟间隔），然后接着就是正常的数据位（当然也可以规定长度，比如8-bits），然后是可选的校验位（用来校验数据传输过程中是否受到电磁环境的影响发生数位翻转），然后是停止位（比如一个高电平时钟间隔）。

说那么多，来几张直观的图说明问题吧。下面援引知乎的几幅图，配以实例加以说明。

原图网址：www.zhihu.com/question/29033993

串口传输的典型例子就是键盘按键，当我们按下 'k' 时，实际上就是传输了该字符的ASCII码值 01101011到了主机。

但在大部分时候，键盘可能根本没有产生任何数据，那我们就要有一个能表达空闲状态的电平，比如这样。

没数据（空闲）时，一直维持在高电平。那好，当我们按下字母 'k' 的时候，我们就立刻发去一个起始位，并紧跟着我们的数据 'k' ，就像这样

主机接受了若干个数据位（跟键盘预先商量好）之后就知道，键盘发送了一个 'k' 过来了。然后是可选的校验位和停止位，然后将线缆电平恢复到空闲状态

这样一来，设备之间就是异步通信的，只要设置好一致的波特率即可，依靠起始位、数据位、校验位、停止位来协调。以上这样的异步串行通信方式，就是所谓的UART。相信聪明的你都get到了吧 ^_^

微信入口：https://mp.weixin.qq.com/s?__biz=MzAxNzYzMTU0Ng==&mid=2651289214&idx=1&sn=c55efbd2f94137eee67773a3bd5fcfed&chksm=8011462bb766cf3d0061ab8ee10ab01358aa92b862996349891a91443110204951ee474d241d#rd