串口通信的一些概念

阡陌

串口

常见的以太网、USB 等接口的数据传输方式都是串行的，但我们通常所说的串口（Serial Port），并非是指他们，而是符合 RS-232 标准的一种接口（也可以是 RS-485 、TTL 电平标准，通常是使用 DB-9 连接器的接口）。虽然早在几年前 DB-9 接口几乎从商用电脑上消失殆尽，但由于串口具有实现电路简单、使用方便等优点，它依然活跃在通信系统的各个领域。

UART

串口电路的核心是通用异步收发传输器（Universal Asynchronous Receiver/Transmitter，缩写为 UART），UART 最早是由 Gordon Bell 设计的。一个完整的 UART 数据帧格式为：起始位 + 数据位 + 校验位（可选） + 停止位。以使用偶校验方式发送 0x55 为例，数据的电平如下：

起始位：数据帧以 1bit 的起始位开始，起始位固定为逻辑 0 电平。接收方收到起始位后同步发送方的时钟。所谓的异步通信，是指收发两发各自使用自己的时钟，通信时先进行同步操作，使得双方对数据何时开始达成共识，然后按照各自的步调完成通信过程。而同步通信一般由一方提供时钟信号，大家按照一致的拍子工作。

数据位：数据位是是通信中的真正有效信息，按从低比特到高比特的顺序传输。位数可以为 5、6、7、8 位，在现代的通信中，通常使用 8 位的数据位，可以发送一个完整的字节数据。

校验位：校验位是可选项，用于对数据位进行校验，只有 1 位数据。当使用校验位时，可以选择偶校验（Even）、奇校验（Odd）、Mark 校验、Space 校验。

偶校验位的取值应使得除起始位与停止位之外数据帧有偶数个 1 。

奇校验位正好相反，它的取值应使得除起始位与停止位之外数据帧有奇数个 1 。所以，上例中的校验方式是偶校验，而不是奇校验。

除了常用的偶校验与奇校验之外，还有两个不常用的校验方式：Mark 校验的校验位总为 1，而 Space 校验的校验位总为 0 。

停止位：停止位表示帧的结束，固定为逻辑 1 电平。可以配置为 1 位、1.5 位、2 位。

DTE 与 DCE

串口设备一般可以分为 Data Terminal Equipment（DTE） 与 Data Circuit-terminating Equipment / Data Communication Equipment（ DCE） 两类。DTE 一般是终端设备，比如计算机； DCE 一般是通信设备，比如调制解调器等。当然，串口两端所连接的是同类设备也是可以的。

RS-232

RS-232 是一个串口通信的标准（当前版本为 TIA/EIA-232-F），由美国电子工业协会（EIA）、美国通信工业协会（TIA）制订和维护。在标准中规定了逻辑 0 与 逻辑 1 的电平值。逻辑 1 定义为负电平，有效范围是 -3V ~ -15V，它的信号状态称为 Mark / ON。逻辑 0 定义为正电平，有效范围是 +3V ~ +15V，它的信号状态称为 Space / OFF。如果电平范围在 -3V ~ +3V 之间，表示线路电平值无效，这时候就该查一查是什么原因导致线路失效的了。

RS-485

在 RS-232 标准下，使用普通线缆通信距离一般能达到 15 米。如何能使通信距离做到更远？除了使用电容量更低的线缆，使用差分通信是个不错的主意。

RS-422（TIA/EIA-422-A） 应运而生，它定义了一种平衡通信接口，数据信号采用差分传输方式，具有抑制共模干扰的能力。可以将传输速率提高到 10Mbps，传输距离延长到 1200 米。但在该标准下，一对双绞线只能实现单向传输，实现双向传输必须使用 5 根线（包含一根地线），不够方便和经济。于是更为常用的 RS-485（TIA/EIA-485-A） 标准，作为 RS-422 的增强标准被制订出来。增加了单总线（一对双绞线）双向通信能力、发送器的驱动能力和冲突 保护特性，扩展了总线共模电压范围等。

RS-485 数据信号采用差分传输方式，使用一对双绞线，将其中一线定义为 A（或 D+），另一线定义为 B（或 D-）。当 VA - VB > +200mV 时，表示逻辑 1；当 VA - VB < -200mV 时，表示逻辑 0。所以在正常状态下，A、B 端子之间的电压差不应小于 200mV。RS-485 采用半双工工作方式，同一时刻只能有一点处于发送状态，因此，发送电路须由使能信号加以控制。当发送器输出使能为禁用状态时，发送器输出处于高阻状态（三态）。

DB-9

RS-232 标准规定了采用一个 25 脚的 DB-25 连接器，并对连接器的每个针脚的信号和电平加以规定。后来 IBM 的 PC 机将其简化成了 DB-9 连接器，从而成为事实标准。

DB-9 的标准叫法是 DE-9，是标准 D 形 E 尺寸接口（连接器），具有 9 个插针（公头，常用于 DTE 一侧）或 9 个针孔（母头，常用于 DCE 一侧），这种形式的接口在当前的串口通信应用中最为常见的。然而在更早的时候，DB-25 首先被用作计算机的串口和并口连接器，以至于流行 DE-9 连接器的时候，大众干脆将 E 顺口为 B，于是才有了 DB-9 一说。 由于 E 尺寸连接器的小巧外形，用途较为广泛，DE-9 也曾被用于网络通信等。此外，E 尺寸连接器还用于大家熟知的 VGA 显示器接口，不过它是 15 针的。

DE-9 连接器有 CD、RXD、TXD、DTR、GND、DSR、RTS、CTS、RI 九个信号针脚，在调制解调器应用场合，这些管脚共同完成通信连接的建立以及通信过程。针脚定义说明：

在一般串口通信场合，为了连线和操作的方便，3 线通信是很常用的方式，它只是用了 RXD、TXD 、GND 三条线路。如果再用上 RTS、CTS 两条线路，还可以支持硬件流控，也是一种常见的用法。

串口供电

在低功耗的应用场景下，可以考虑使用串口给目标板供电。思路是使用 DTR 与 RTS 输出 Space 信号（逻辑0，高电平）时产生的正向电压（软件上要做配置）。基本的电路结构如下：

参考资料

RS-232 : https://en.wikipedia.org/wiki/RS-232
RS-485 : https://en.wikipedia.org/wiki/RS-485
D-subminiature : https://en.wikipedia.org/wiki/D-subminiature
Universal asynchronous receiver/transmitter : https://en.wikipedia.org/wiki/Universal_asynchronous_receiver/transmitter