一文看懂串口協(xié)議

前言

好久沒更新文章了，這篇文章寫寫停停，用了近一周的時(shí)間，終于寫完了，謝謝大家的關(guān)注。本篇文章介紹，串口協(xié)議數(shù)據(jù)幀格式、串行通信的工作方式、電平標(biāo)準(zhǔn)、編碼方式及Verilog實(shí)現(xiàn)串口發(fā)送一個(gè)字節(jié)數(shù)據(jù)和接收一個(gè)字節(jié)數(shù)據(jù)。

對(duì)于MCU串口的發(fā)送接收，可能就是1行代碼就能實(shí)現(xiàn)串口的發(fā)送和接收：

STM32的串口接收和發(fā)送

1. //STM32發(fā)送1個(gè)字節(jié)

2. USART_SendData(USART1, 'A');

3. while (USART_GetFlagStatus(DEBUG_USARTx, USART_FLAG_TXE) == RESET);

4. 
   

5. //STM32接收1個(gè)字節(jié)：

6. uint8_t Res;

7. while (USART_GetFlagStatus(USART1, USART_FLAG_RXNE) == RESET);

8. Res = USART_ReceiveData(USART1);

51單片機(jī)的發(fā)送和接收

1. //51單片機(jī)發(fā)送1個(gè)字節(jié)

2. SBUF = 'A;

3. while(!TI);

4. TI=0;

5. 
   

6. 
   

7. //51單片機(jī)接收1個(gè)字節(jié)：

8. char Res;

9. if(RI)

10. {

11. Res = SBUF;

12. RI = 0;

13. }

更方便一點(diǎn)的，通過重寫C庫fput函數(shù)和fgetc函數(shù)，還可以實(shí)現(xiàn)printf直接重定向到串口，用來輸出一些調(diào)試信息再方便不過了。

STM32實(shí)現(xiàn)輸入輸出重定向到串口發(fā)送接收

1. //可重定向printf函數(shù)

2. int fputc(int ch, FILE *f)

3. {

4. USART_SendData(DEBUG_USARTx, (uint8_t) ch);

5. while (USART_GetFlagStatus(DEBUG_USARTx, USART_FLAG_TXE) == RESET);

6. return (ch);

7. }

8. //可重定向scanf函數(shù)

9. int fgetc(FILE *f)

10. {

11. while (USART_GetFlagStatus(DEBUG_USARTx, USART_FLAG_RXNE) == RESET);

12. return (int)USART_ReceiveData(DEBUG_USARTx);

13. }

而MCU上的串口是半導(dǎo)體廠商預(yù)先設(shè)計(jì)好的，幾乎是MCU的標(biāo)配，高度集成，使用起來十分方便，但是串口的引腳基本上是固定的，不可以更改。對(duì)于硬件橡皮泥——FPGA來說，需要使用HDL從底層串口數(shù)據(jù)幀來實(shí)現(xiàn)，可以直接在任意一個(gè)引腳實(shí)現(xiàn)串口功能。為了用Verilog HDL實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)的串口通訊協(xié)議，我們有必要先來詳細(xì)了解一下串口通訊協(xié)議。

串口數(shù)據(jù)幀格式

波特率

波特率，即比特率（Baud rate），即通信雙方“溝通的語言”，通信雙方要設(shè)置為一樣的波特率才可以正常通信。表示每秒發(fā)送的二進(jìn)制位數(shù)，即傳輸1位的時(shí)間是：1/波特率 秒，如，波特率9600bps，即每秒傳輸9600bit，那么每一位的時(shí)間為：1/9600 s = 104.1666us，常用的波特率有：4800/9600/115200/12800等等，也可以根據(jù)需要自定義波特率大小，如1M或者3M，但是有的PC或者USB-TTL模塊不支持太高速度的波特率，常用的USB-TTL芯片有：CH340，CP2102，PL2103，F(xiàn)T232等，其中FT232HL芯片最大支持12M的波特率，當(dāng)然價(jià)格也比其他芯片高一些。

起始位和停止位

數(shù)據(jù)幀從起始位開始，到停止位結(jié)束。起始信號(hào)用邏輯0表示，而停止位是用邏輯1表示，一般有0.5位、1位、1.5位或2位停止位，常用的一般是1位停止位，只要通信雙方約定一致即可。

數(shù)據(jù)位

起始位之后，緊跟著的是數(shù)據(jù)位，低位（LSB）在前，高位（MSB）在后，一般有5位、6位、7位和8位數(shù)據(jù)位，常用的是8位數(shù)據(jù)位，因?yàn)橐粋€(gè)字節(jié)正好是8位。

校驗(yàn)位

校驗(yàn)位一般用來判斷接收的數(shù)據(jù)位有無錯(cuò)誤，校驗(yàn)方法有：奇校驗(yàn)（odd）、偶校驗(yàn)（even）、0校驗(yàn)（space）、1校驗(yàn)（mark）及無校驗(yàn)（noparity）。奇校驗(yàn)要求有效數(shù)據(jù)和校驗(yàn)位中“1”的個(gè)數(shù)為奇數(shù)，比如一個(gè)8位長的有效數(shù)據(jù)為：01101001，此時(shí)共有4個(gè)“1”，為達(dá)到奇數(shù)個(gè)"1"的效果，校驗(yàn)位為“1”，讓“1”的個(gè)數(shù)變成5個(gè)（奇數(shù)）。偶校驗(yàn)剛好相反，要求有效數(shù)據(jù)和校驗(yàn)位的“1”數(shù)量為偶數(shù)，則此時(shí)為達(dá)到偶校驗(yàn)效果，校驗(yàn)位為“0”。而0校驗(yàn)，即校驗(yàn)位總是為“0”，1校驗(yàn)校驗(yàn)位總是為“1”。奇偶校驗(yàn)邏輯相反，01校驗(yàn)邏輯相反。一般是奇偶校驗(yàn)或者是無校驗(yàn)位。

奇偶校驗(yàn)的Verilog實(shí)現(xiàn)

在Verilog中奇偶校驗(yàn)的計(jì)算非常簡單，根據(jù)奇偶校驗(yàn)的原理，偶校驗(yàn)為數(shù)據(jù)位各位異或，奇校驗(yàn)是偶校驗(yàn)取反，通過使用單目運(yùn)算符的縮減功能，可以非常簡單的計(jì)算奇偶校驗(yàn)位：

1. input [7:0] data_in, //需要發(fā)送的8位數(shù)據(jù)

2. 
   

3. wire even_bit; //偶校驗(yàn)位 = 各位異或

4. wire odd_bit; //奇校驗(yàn)位 = ~偶校驗(yàn)位

5. 
   

6. assign even_bit = ^data_in; //一元約簡運(yùn)算符，等效于data_in[0] ^ data_in[1] ^ .....

7. assign odd_bit = ~even_bit;

8. 
   

9. wire POLARITY_BIT = even_bit; //偶校驗(yàn)

關(guān)于波特率允許的誤差

經(jīng)過我的實(shí)際測(cè)試，波特率是有一定的容錯(cuò)范圍的，例如，STM32配置成115200波特率，每10ms發(fā)送一個(gè)30字節(jié)的字符串，串口芯片用的CH340，上位機(jī)波特率設(shè)置成113000-121000也可以接收，無亂碼，差不多正負(fù)2000的波特率，這容錯(cuò)范圍也太大了，當(dāng)然如果發(fā)送頻率太快，數(shù)據(jù)量太大，誤碼率肯定會(huì)大大增加，所以還是建議通信雙方使用同樣的波特率以減少誤差。

串口數(shù)據(jù)的實(shí)際波形

使用串口上位機(jī)連接USB-TTL模塊，發(fā)送一個(gè)字節(jié)數(shù)據(jù)：1位停止位 8位數(shù)據(jù)位 1位奇校驗(yàn)位 1位停止位，使用示波器的單次觸發(fā)功能，可以在USB-TTL模塊的TX引腳測(cè)得串口協(xié)議數(shù)據(jù)的實(shí)際波形，你知道這發(fā)送的是什么字符嗎？

一個(gè)字符的實(shí)際波形

兩個(gè)字符的實(shí)際波形

單工、半雙工、全雙工、異步和同步的區(qū)別

在介紹串口的電平標(biāo)準(zhǔn)之前，先來了解一下串行通信的工作方式，即單工、半雙工、全雙工，異步和同步的區(qū)別。

單工

單工，即數(shù)據(jù)傳輸只在一個(gè)方向上傳輸，只能你給我發(fā)送或者我給你發(fā)送，方向是固定的，不能實(shí)現(xiàn)雙向通信，如：室外天線電視、調(diào)頻廣播等。

半雙工

半雙工比單工先進(jìn)一點(diǎn)，傳輸方向可以切換，允許數(shù)據(jù)在兩個(gè)方向上傳輸，但是某個(gè)時(shí)刻，只允許數(shù)據(jù)在一個(gè)方向上傳輸，可以基本雙向通信，如：對(duì)講機(jī)，IIC通信。

全雙工

比半雙工更先進(jìn)的是全雙工，允許數(shù)據(jù)同時(shí)在兩個(gè)方向傳輸。發(fā)送和接收完全獨(dú)立，在發(fā)送的同時(shí)可以接收信號(hào)，或者在接收的同時(shí)可以發(fā)送。它要求發(fā)送和接收設(shè)備都要有獨(dú)立的發(fā)送和接收能力，如：電話通信，SPI通信，串口通信。

同步和異步的區(qū)別

串行通信可以分為兩種類型，一種叫同步通信，另一種叫異步通信。

簡單的說，就是同步通信需要時(shí)鐘信號(hào)，而異步通信不需要時(shí)鐘信號(hào)。

• 同步：發(fā)送方發(fā)出數(shù)據(jù)后，等接收方發(fā)回響應(yīng)以后才發(fā)下一個(gè)數(shù)據(jù)包的通訊方式。

• 異步：發(fā)送方發(fā)出數(shù)據(jù)后，不等接收方發(fā)回響應(yīng)，接著發(fā)送下個(gè)數(shù)據(jù)包的通訊方式。

SPI和IIC為同步通信，UART為異步通信，而USART為同步