串口通信技術(shù)簡(jiǎn)單總結(jié)和歸納

1. 前言

最熟悉的陌生人！用這句話形容“串口”是再貼切不過的了。

對(duì)嵌入式工程師來(lái)說(shuō)，“串口”是一個(gè)再熟悉不過的模塊，熟悉到像喝水一樣自然。與此同時(shí)，有關(guān)串口的很多細(xì)節(jié)，卻被漸漸地模糊和忽略，例如：

我們經(jīng)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(lián)系？有何區(qū)別？

串口的波特率（baud rate）是怎么定義和計(jì)算的？比特率（bit rate）又是怎么回事？二者的關(guān)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(duì)上述問題，進(jìn)行簡(jiǎn)單的總結(jié)和歸納，以便指導(dǎo)有關(guān)的開發(fā)工作。

2. 概念解釋

2.1 串行通信（Serial communication）

在通信和計(jì)算機(jī)科學(xué)中，Serial communication是一個(gè)通用概念，泛指所有的串行的通信協(xié)議，如RS232、USB、I2C、SPI、1-Wire、Ethernet等。這里的串行（serial），是相對(duì)并行通信（parallel communication）來(lái)說(shuō)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(guān)串行通信的優(yōu)缺點(diǎn)，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(huì)有疑問：接收方接收到一長(zhǎng)串的、表示0/1電平跳變的信號(hào)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(shù)據(jù)的同時(shí)，提供一個(gè)時(shí)鐘信號(hào)，并按照一定的約定（例如在時(shí)鐘信號(hào)的上升沿的時(shí)候，將數(shù)據(jù)發(fā)送出去）發(fā)送數(shù)據(jù)，接收端根據(jù)發(fā)送端提供的時(shí)鐘信號(hào)，以及大家的約定，接收數(shù)據(jù)。這就是常說(shuō)的同步串行通信（Synchronous serial communication），I2C、SPI等有時(shí)鐘信號(hào)的協(xié)議，都屬于這種通信方式。

2）發(fā)送端在數(shù)據(jù)發(fā)送之前和之后，通過特定形式的信號(hào)（例如START信號(hào)和STOP信號(hào)），告訴接收端，可以開始（或者停止）接收數(shù)據(jù)了。與此同時(shí)，收發(fā)兩方會(huì)約定一個(gè)數(shù)據(jù)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(hào)之后，就按照固定的節(jié)奏發(fā)送串行數(shù)據(jù)，與此同時(shí)，接收端在收到START信號(hào)之后，也按照固定的節(jié)奏接收串行數(shù)據(jù)。這就是常說(shuō)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(yán)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(jù)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(jì)算機(jī)的世界里，“串口”是使用串行的方式進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸?shù)囊环N接口，它是相對(duì)于計(jì)算機(jī)的并行接口來(lái)說(shuō)的。雖然串行通信可以通過多種技術(shù)實(shí)現(xiàn)（如USB、Ethernet等），但由于歷史原因，我們所說(shuō)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(shí)現(xiàn)串行通信的物理接口的一種統(tǒng)稱，但只有名稱還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠，通信的雙方需要一些約定和規(guī)范，才能正確的進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，例如需要哪些信號(hào)線、信號(hào)的電平如何、接口的形狀如何、數(shù)據(jù)的編碼格式、數(shù)據(jù)傳輸?shù)乃俾省⒌鹊取?/p>

在串口通信中，這些內(nèi)容主要由兩部分定義：

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

電氣信號(hào)特性，如信號(hào)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(hào)的定義、等等；

電纜（cable）的特性，如電纜的長(zhǎng)度（RS-232沒有顯式的限制電纜的長(zhǎng)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(guān)”的特性，包括：

數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)位、校驗(yàn)位、停止位“；

數(shù)據(jù)傳輸?shù)腷it rates，也即我們熟悉的波特率（baud rate）。

注3：說(shuō)來(lái)奇怪，RS-232規(guī)范規(guī)定了串口通信有關(guān)的方方面面的特性，唯獨(dú)沒有規(guī)定數(shù)據(jù)傳輸相關(guān)的編碼格式和bit rates?？赡苁怯布牟町愄?，以至于該規(guī)范無(wú)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(gè)要求----不能超過20Kbps，雖然從現(xiàn)在來(lái)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(shí)代的通信有關(guān)場(chǎng)景以有關(guān)，隨著數(shù)字通信的普及，以及USB等協(xié)議的蠶食，這些龐然大物已經(jīng)越來(lái)越少見了。反而在嵌入式場(chǎng)景中，一些簡(jiǎn)化的形態(tài)，如4線（VCC/RX/TX/GND）串口等，反而使用的比較多。

2.4 UART(Universal Asynchronous Receiver/Transmitter)

我們?cè)谏弦还?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(shí)現(xiàn)，完全由具體的硬件（或者對(duì)應(yīng)的軟件負(fù)責(zé)）。

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

至此，串口通信有關(guān)的術(shù)語(yǔ)已經(jīng)悉數(shù)登場(chǎng)，簡(jiǎn)單總結(jié)一下吧：

串行通信（serial communication），泛指使用bit流的形式進(jìn)行數(shù)據(jù)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(shí)現(xiàn)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(jìn)行數(shù)據(jù)通信的接口，主要是從硬件的角度描述的。

RS-232，定義兩個(gè)串口之間通信行為的一個(gè)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(gè)硬件模塊，根據(jù)串口硬件所規(guī)定編碼格式、bit rate，產(chǎn)生處通信所需的bit流。

2.5 TTL電平轉(zhuǎn)換以及USB轉(zhuǎn)串口

最后，再念叨一下TTL電平轉(zhuǎn)換有關(guān)的概念。當(dāng)前，串口應(yīng)用最廣泛的場(chǎng)景，就是嵌入式產(chǎn)品和PC之間的一些數(shù)據(jù)交互，如debug輸出、firmware更新等。但這里有一個(gè)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(shù)的嵌入式產(chǎn)品，都是使用TTL電平（如0v/3.3v）。因此，這兩種電平無(wú)法直接連接。怎么辦呢？增加一個(gè)電平轉(zhuǎn)換電路就是了，于是嵌入式產(chǎn)品和PC之間的連接就變成了如下的形式：?
?????? PC(串口)<---------->電平轉(zhuǎn)換電路<---------->嵌入式產(chǎn)品(串口)

還有更麻煩的事情，隨著技術(shù)的進(jìn)步，串口這樣的大殺器，漸漸地被PC拋棄了，怎么辦呢？USB轉(zhuǎn)串口應(yīng)運(yùn)而生了，連接方式變成了：

PC(USB接口)<---------->USB轉(zhuǎn)串口<---------->嵌入式產(chǎn)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(shù)語(yǔ)之后，我們?cè)賮?lái)看看波特率（baud rate）。

說(shuō)實(shí)話，在數(shù)據(jù)通信中，比特率（bit rate）比較容易理解，就是一定時(shí)間內(nèi)，能夠傳輸多少個(gè)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(hào)速率（symbol rate），指的的是“數(shù)據(jù)變化”的速率。說(shuō)著很拗口，我們舉個(gè)例子：

在計(jì)算機(jī)系里，小楊和小李是一對(duì)好基友，不過小楊是學(xué)霸、小李是學(xué)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(shí)，小楊攜帶黑色和白色兩支筆，根據(jù)兩支筆出現(xiàn)的情況，表示A、B、C、D四種答案，即：?
??? 白色的筆沒有出現(xiàn)??? 黑色的筆沒有出現(xiàn)??? A?
??? 白色的筆沒有出現(xiàn)??? 黑色的筆出現(xiàn)????????? B?
??? 白色的筆出現(xiàn)????????? 黑色的筆沒有出現(xiàn)??? C?
??? 白色的筆出現(xiàn)????????? 黑色的筆出現(xiàn)?????????? D

同時(shí)約定，在考試開始1小時(shí)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(gè)速度，以及大家的約定，通過觀察兩支筆出現(xiàn)的情況，獲得答案。

確實(shí)是個(gè)好方法，不過仔細(xì)想想，這其實(shí)是一個(gè)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(shuō)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(shí)，每次更新，傳遞了多少信息呢？表面上看是A、B、C、D，本質(zhì)上是由白和黑所代表的兩個(gè)bit，00、01、10或者11。因此，每次更新傳遞2個(gè)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(tǒng)，例如我們所熟知的串口通信，它們卻是一樣的，例如我們說(shuō)115200的波特率，實(shí)際上的比特率也是115200。因?yàn)橐淮沃粋鬏?個(gè)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(shù)據(jù)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：

圖片2 串口幀格式

因此，從本質(zhì)上講，波特率定義了幀格式中每一個(gè)bit的信號(hào)的持續(xù)時(shí)間，即1 / bard rate。而一幀數(shù)據(jù)傳輸完成，需要的時(shí)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(gè)壞消息，也有一個(gè)好消息：

壞消息是，受系統(tǒng)時(shí)鐘精度、分頻系數(shù)等影響，波特率可能不精確，存在誤差。而在一幀數(shù)據(jù)的傳輸過程中，誤差會(huì)累積。

好消息是，如果誤差累積的不多，受start/stop信號(hào)的矯正作用，下一幀數(shù)據(jù)中，可將累積誤差清零。

關(guān)于誤差，我們?cè)偕晕⒃敿?xì)分析一下。

根據(jù)我們的常識(shí)，信號(hào)是在中間點(diǎn)采樣，因此，在一幀數(shù)據(jù)中，如果誤差累積超過(1 / bard rate / 2)的時(shí)間，則數(shù)據(jù)會(huì)采樣錯(cuò)誤。假設(shè)理想的baud rate是BDi，實(shí)際的baud rate是BDr，則：

每一個(gè)bit的誤差時(shí)間是：1 / BDi – 1 / BDr。

10個(gè)bit的誤差時(shí)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(jì)算。另外，如果雙方都有誤差的話怎么辦？嘿嘿，你懂的，除2吧。