串口通信技術簡單總結和歸納

對嵌入式工程師來說，“串口”是一個再熟悉不過的模塊，熟悉到像喝水一樣自然。與此同時，有關串口的很多細節(jié)，卻被漸漸地模糊和忽略，例如：

我們經常掛在嘴邊的serial、UART、RS232等概念，究竟是怎么回事?它們之間有何聯系?有何區(qū)別?

串口的波特率(baud rate)是怎么定義和計算的?比特率(bit rate)又是怎么回事?二者的關系又是怎樣?

為什么波特率有誤差?通信過程中所容許的誤差范圍是多少?

本文將對上述問題，進行簡單的總結和歸納，以便指導有關的開發(fā)工作。

2. 概念解釋

2.1 串行通信(Serial communication)

在通信和計算機科學中，Serial communicaTIon是一個通用概念，泛指所有的串行的通信協議，如RS232、USB、I2C、SPI、1-Wire、Ethernet等。這里的串行(serial)，是相對并行通信(parallel communicaTIon)來說的，如下圖：

圖片1 并行通信和串行通信

上面圖片1是非常容易理解的，這里不再過多解釋，有關串行通信的優(yōu)缺點，可參考“Serial communicaTIon[1]”中的解釋。

2.2 同步串行通信(Synchronous serial communicaTIon)和異步串行通信(Asynchronous serial communication)

理解串行通信的概念之后，大家可能會有疑問：接收方接收到一長串的、表示0/1電平跳變的信號之后，怎么還原出有效的信息呢?有兩種方法：

1)發(fā)送端在發(fā)送串行數據的同時，提供一個時鐘信號，并按照一定的約定(例如在時鐘信號的上升沿的時候，將數據發(fā)送出去)發(fā)送數據，接收端根據發(fā)送端提供的時鐘信號，以及大家的約定，接收數據。這就是常說的同步串行通信(Synchronous serial communication)，I2C、SPI等有時鐘信號的協議，都屬于這種通信方式。

2)發(fā)送端在數據發(fā)送之前和之后，通過特定形式的信號(例如START信號和STOP信號)，告訴接收端，可以開始(或者停止)接收數據了。與此同時，收發(fā)兩方會約定一個數據發(fā)送的速度(就是大名鼎鼎的波特率)，發(fā)送端在發(fā)送START信號之后，就按照固定的節(jié)奏發(fā)送串行數據，與此同時，接收端在收到START信號之后，也按照固定的節(jié)奏接收串行數據。這就是常說的異步串行通信(Asynchronous serial communication)，我們本節(jié)的主角----串口通信，就是這種通信方式。

注1：嚴格意義上，START/STOP形式的異步串行通信，稱作“asynchronous start-stop communication”，但由于這種形式在異步串行通信里面使用太廣泛了，二者也就混為一談、不加區(qū)分了。

注2：根據同步方式的不同，串口也包括異步串口和同步串口兩種。本文所指的串口，都是只異步串口。

2.3 串口(Serial port)和RS-232

在計算機的世界里，“串口”是使用串行的方式進行數據傳輸的一種接口，它是相對于計算機的并行接口來說的。雖然串行通信可以通過多種技術實現(如USB、Ethernet等)，但由于歷史原因，我們所說的串口，特指符合RS-232規(guī)范的接口，下圖就是我們比較常見的一種：

圖片2 male DE-9 connector

串口是用于實現串行通信的物理接口的一種統稱，但只有名稱還遠遠不夠，通信的雙方需要一些約定和規(guī)范，才能正確的進行數據傳輸，例如需要哪些信號線、信號的電平如何、接口的形狀如何、數據的編碼格式、數據傳輸的速率、等等。

在串口通信中，這些內容主要由兩部分定義：

1)RS-232(有時候也稱作RS-232-C，C是版本)規(guī)范，定義“硬件相關”的特性，包括：

電氣信號特性，如信號電平(-3V～-15V表示邏輯1，+3～+15V表示邏輯0)等;

接口特性，如連接器(connectors)的定義(9-pin的 DE-9 Male/Female，25-pin的DB-25 Male/Female等)、管腳信號的定義、等等;

電纜(cable)的特性，如電纜的長度(RS-232沒有顯式的限制電纜的長度，但限制了電容，效果一樣)等;

等等。

2)串口硬件，定義“軟件相關”的特性，包括：

數據的編碼格式(character encoding)，就是上面提到的“asynchronous start-stop”格式，也即我們所熟知的的“起始位、數據位、校驗位、停止位“;

數據傳輸的bit rates，也即我們熟悉的波特率(baud rate)。

注3：說來奇怪，RS-232規(guī)范規(guī)定了串口通信有關的方方面面的特性，唯獨沒有規(guī)定數據傳輸相關的編碼格式和bit rates?？赡苁怯布牟町愄螅灾劣谠撘?guī)范無法完全覆蓋。

注4：雖然RS-232規(guī)范沒有規(guī)定bit rates，但它做了一個要求----不能超過20Kbps，雖然從現在來看，這就是瞎扯，呵呵。

注5：RS-232定義了各種形態(tài)的串口接口，如DE-9、DB-25等等，但這大多和上古時代的通信有關場景以有關，隨著數字通信的普及，以及USB等協議的蠶食，這些龐然大物已經越來越少見了。反而在嵌入式場景中，一些簡化的形態(tài)，如4線(VCC/RX/TX/GND)串口等，反而使用的比較多。[!--empirenews.page--]

2.4 UART(Universal Asynchronous Receiver/Transmitter)

我們在上一節(jié)(2.3)提到，由于硬件的差異太大，RS-232并沒有規(guī)定串口通信的編碼格式和bit rates。因此，這一塊的實現，完全由具體的硬件(或者對應的軟件負責)。

在早期的產品中，大多使用軟件的方式，以一定的速率(bit rates)，產生出符合編碼格式的bit流。但后來為了提升性能，很多產品(如IBM的PC)使用了專門的硬件模塊，完成這個事情，這就是我們經常掛在嘴邊的UART。

至此，串口通信有關的術語已經悉數登場，簡單總結一下吧：

串行通信(serial communication)，泛指使用bit流的形式進行數據通信的方法。

同步串行通信(Synchronous serial communication)和異步串行通信(Asynchronous serial communication)，串行通信的不同實現方法，主要區(qū)別在于同步的方式。

串口(serial port)，特指使用“異步串行通信”的方法進行數據通信的接口，主要是從硬件的角度描述的。

RS-232，定義兩個串口之間通信行為的一個規(guī)范，偏向于電平、連接器、電纜等硬件特性。

UART(Universal Asynchronous Receiver/Transmitter)，一個硬件模塊，根據串口硬件所規(guī)定編碼格式、bit rate，產生處通信所需的bit流。

2.5 TTL電平轉換以及USB轉串口

最后，再念叨一下TTL電平轉換有關的概念。當前，串口應用最廣泛的場景，就是嵌入式產品和PC之間的一些數據交互，如debug輸出、firmware更新等。但這里有一個比較麻煩的事情：

PC串口符合RS-232規(guī)范，其電平是“-3V～-15V/+3～+15V”。而大多數的嵌入式產品，都是使用TTL電平(如0v/3.3v)。因此，這兩種電平無法直接連接。怎么辦呢?增加一個電平轉換電路就是了，于是嵌入式產品和PC之間的連接就變成了如下的形式：

PC(串口)<---------->電平轉換電路<---------->嵌入式產品(串口)

還有更麻煩的事情，隨著技術的進步，串口這樣的大殺器，漸漸地被PC拋棄了，怎么辦呢?USB轉串口應運而生了，連接方式變成了：

PC(USB接口)<---------->USB轉串口<---------->嵌入式產品(串口)

3. 波特率(baud rate)和比特率(bit rate)

理解了串口中這些既熟悉又陌生的術語之后，我們再來看看波特率(baud rate)。

說實話，在數據通信中，比特率(bit rate)比較容易理解，就是一定時間內，能夠傳輸多少個bit。例如bps，就是bit per second的縮寫。那什么事波特率呢?

在通信中，波特率也稱作符號速率(symbol rate)，指的的是“數據變化”的速率。說著很拗口，我們舉個例子：

在計算機系里，小楊和小李是一對好基友，不過小楊是學霸、小李是學渣。所以，期末考試到了，小楊決定“鼎力相助”。怎么辦呢?

二人約定，考試時，小楊攜帶黑色和白色兩支筆，根據兩支筆出現的情況，表示A、B、C、D四種答案，即：

白色的筆沒有出現 黑色的筆沒有出現 A

白色的筆沒有出現 黑色的筆出現 B

白色的筆出現 黑色的筆沒有出現 C

白色的筆出現 黑色的筆出現 D

同時約定，在考試開始1小時之后，小楊從第1道選擇題開始，以每分鐘更換一次的速度，更換答案。小李按照這個速度，以及大家的約定，通過觀察兩支筆出現的情況，獲得答案。

確實是個好方法，不過仔細想想，這其實是一個典型的異步通信過程。通信的過程中，答案更新的速度(每分鐘1次)，就是我們所說的baud rate(或者symbol rate)，即1 bd per minute(可以把bd看著baud的單位)。

與此同時，每次更新，傳遞了多少信息呢?表面上看是A、B、C、D，本質上是由白和黑所代表的兩個bit，00、01、10或者11。因此，每次更新傳遞2個bit的信息，所以bit rate就是2 bits per minute。

上面的例子中，通信的波特率和比特率是不同的，分別為1和2(per minute)，而有些通信系統，例如我們所熟知的串口通信，它們卻是一樣的，例如我們說115200的波特率，實際上的比特率也是115200。因為一次只傳輸1個bit(0或者1)。

4. 幀格式和波特率誤差

我們知道，串口通信的數據格式包括start bit、data bits、parity bit和stop bits，其中：

start bit固定為1bit;

data bits可以為5、6、7、8或者9bits，不過常用的都是8bits;

parity bit是非必須的，一般為0bit;

stop bit可以是1bit和2bits兩種，一般都是1bit。

圖示如下：

串口通信技術簡單總結和歸納

圖片2 串口幀格式

因此，從本質上講，波特率定義了幀格式中每一個bit的信號的持續(xù)時間，即1 / bard rate。而一幀數據傳輸完成，需要的時間為(1 / bard rate) * 10(以8N1的幀格式為例)。

這種異步通信的方法，有一個壞消息，也有一個好消息：

壞消息是，受系統時鐘精度、分頻系數等影響，波特率可能不精確，存在誤差。而在一幀數據的傳輸過程中，誤差會累積。

好消息是，如果誤差累積的不多，受start/stop信號的矯正作用，下一幀數據中，可將累積誤差清零。

關于誤差，我們再稍微詳細分析一下。

根據我們的常識，信號是在中間點采樣，因此，在一幀數據中，如果誤差累積超過(1 / bard rate / 2)的時間，則數據會采樣錯誤。假設理想的baud rate是BDi，實際的baud rate是BDr，則：

每一個bit的誤差時間是：1 / BDi – 1 / BDr。

10個bit的誤差時間是：10 * (1 / BDi – 1 / BDr)。

因此，安全的誤差范圍是：abs(10 * (1 / BDi – 1 / BDr)) < 1 / BDi / 2。

以115200的波特率為例，帶入上面的公式：

abs(10 * (1 / 115200– 1 / BDr)) < 1 / 115200 / 2

-1 / 115200 / 2 < 10 * (1 / 115200– 1 / BDr) < 1 / 115200 / 2

(20 / 21) * 115200 < BDr < (20 / 19) * 115200

因此，115200波特率所容許的誤差范圍是20 / 21 ~ 20 / 19，即+/- 5%。其它波特率也可以帶入公式去計算。另外，如果雙方都有誤差的話怎么辦?嘿嘿，你懂的，除2吧。