深入了解串口通信协议及工作原理

通信的分类

按照传输方式的不同通信分为串行通信和并行通信。

  • 并行通信:同一时刻,可以传输多个bit位的信号,有多少个信号位就需要多少根信号线。

  • 串行通信:同一时刻,只能传输一个bit位的信号,只需要一根信号线。

  • 其中串行通信分为两种方式:异步串行通信、同步串行通信。

  • 异步串行通信:是指发送方与接收方,使用各自的时钟控制数据发送和接收过程(为使双方收发协调,要求双方时钟尽可能一致)。

  • 同步串行通信:则是发送方时钟直接控制接收方时钟,使双方完全同步(同步方法有“外同步和自同步”两种)。

  • 按照传输方向可以分为单工通信和双工通信。

  • 单工数据:传输只支持数据在一个方向上传输。
  • 双工通信:可以再分为全双工通信和半双工通信。
  • 半双工:数据传输允许数据在两个方向上传输,但是,在某一时刻,只允许数据在一个方向上传输,它实际上是一种切换方向的单工通信;
  • 全双工:数据通信允许数据同时在两个方向上传输,因此,全双工通信是两个单工通信方式的结合,它要求发送设备和接收设备都有独立的接收和发送能力。
  • 串口通信

    串口通信通常采用的是异步串行通信总线,该总线有两条数据线,可以实现全双工的发送和接收,在嵌入式系统中常用于主机与辅助设备之间的通信。

    UART帧格式讲解

  • 起始位:起始位为低电平。
  • 通信在空闲状态时保持高电平,因此出现下降沿即可判定为数据传输开始。
  • 虽然数据位也会出现低电平,但是空闲状态是保持高电平,而且起始状态就判断一次,所以不用担心数据位中的低电平误识别成起始位。
  • 数据位:数据位 5-8 位,发送先发送低位后发送高位。
  • 奇偶校验位:奇偶校验位是可以不设置,大家自行选择。
  • 奇校验:数据位 + 校验位高电平的个数为奇数。
  • 偶校验:数据位 + 校验位高电平的个数为偶数。
  • 停止位:一般0.5位到2位,通常设置为1位。
  • 1个停止位:停止位位数的默认值。
  • 2个停止位:可用于常规USART模式、单线模式以及调制解调器模式。
  • 0.5个停止位:在智能卡模式下接收数据时使用。
  • 1.5个停止位:在智能卡模式下发送和接收数据时使用。
  • 传输速率

  • 串口通讯的速率用波特率表示,单位是bps(bit per secong)(位/秒) 即每秒钟传送的bit的数量。1byte = 8bit。
  • 以9600bps为例,假设一个字符帧共有10位(1起始位、8数据位、1结束位),那么每秒钟能传输的最大字符数为“9600/10 = 960”。
  • 串口接收和发送方的波特率应该是一致的,01 和 0011 产生的波形是一样的,区分方法是掐时间,因为波特率固定,每个位的持续时间时间固定,就可以区连续发送了几个高电平或者低电平。
  • 串口发送一串数据不是连续发送,是一个字节一个字节发送的,其目的防止接收和发送的累计误差(时间误差),因为串口是异步通信,没有时间基准。比如:正常情况发送是一个字节共8个数据位,发送端的波特率为9600,接收端的波特率是9550,接收和发送之间是有时间差的,但是发送数据少,不影响我们区分正常的数据位,如果一次发送个1000字节共8000个数据位,那么就会出现数据出错。(因为不同单片机时钟不一样,两个单片机之间没有时间基准,所以都会出现波特率误差)。
  • 波特率误差分析 :串行通讯误差要求实践表明,当波特率的相对误差小于4.5%时,不会影响数据的正确接收,一般要保证传输的可靠性,要求误差不大于2.5%。
  • 串口通信的经典方法

  • 查询方式:可靠性很高,要考虑下个数据包覆盖上一个数据包的问题,小数据量,在10个字节以内,可以这样考虑, 很简单,很方便,很可靠。但是在数据量大的时候,程序阻塞的时间特别长,影响其他比较重要的外设的处理。
  • 中断方式:不占用系统资源,但是如果数据量大,会频繁中断cpu,会其他高优先的数据处理造成影响。但是没有DMA不占用资源的好处, 如果没有串口队列的实现,必须通过标志位判断上一个包数据是否发送完成,在把新的数据覆盖到串口的缓冲区。
  • DMA方式:不占用系统资源,减少CPU对中断的响应。如何不建立数据包的队列,还是会出现,需要等待阻塞的问题。
  • FIFO方式:在串口的接收和发送中,串口接收到的数据可以先进入FIFO,不必马上进入中断服务程序接收,这样可节省CPU时间。对于发送数据也一样,可以把要发送的数据一起写入FIFO,串口控制器可按写入顺序依次发送出去。
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