目录通信的基本概念UART三根线UART的特点并行通信和串行通信同步通信和异步通信1对多通信和1对1通信单工、半双工和双工MCU和串口UART和USART的区别通信的宏观视角通信的细节——本质两个问题比特率和波特率比特率波特率USART的帧格式空闲状态Idle State起始位Start Bit数据位Data Bits校验位Parity Bit奇校验偶校验停止位 ( Stop Bits )通信的基本概念UARTUART Universal Asynchronous Receiver/Transmitter通用异步收发器。它是一种“串行、异步、全双工”的通信方式用两根数据线Tx和Rx就能让两个设备互相传输数据。三根线线作用Tx发送数据TransmitRx接收数据ReceiveGND公共地所有设备必须共地UART的特点并行通信和串行通信多条数据线同时传一次传完一个字节的所有位。特点速度快一次传完8位线多、成本高距离短串扰严重仅适合板级通信只使用一条或一对数据线将数据的各位按时间顺序逐位传输。特点线少、成本低距离远速率可以很高适合设备间通信对比项并行通信串行通信数据线数量多条8/16/32条1条或2条传输方式同时传输所有位逐位按顺序传输速度理论快但受同步限制实际可达很高成本高线多、接口贵低线少PCB布线难线多占面积易线少传输距离短串扰严重长抗干扰能力弱强扩展性差位宽升级要改硬件好功耗大小典型应用早期打印机、LCD并口、FSMCUART、SPI、I2C、CAN、USBSTM32中的例子FSMC外扩SRAMUSART、SPI、I2C六、为什么串行通信成为主流原因说明成本低线少PCB布线简单接口便宜距离远串扰小可以拉长线速率高现代串行技术如USB、PCIe速率远超并行扩展性好升级方便不用改硬件连线功耗低线少驱动电流小在STM32通信领域串行通信占绝对主导地位。同步通信和异步通信同步通信收发双方有一根时钟线数据在时钟的上升沿或下降沿被采样。时钟是双方共同的节拍参考。特点有独立的时钟线数据在时钟边沿被采样速率高同步精确线多至少2根时钟数据典型应用SPII2CUSART的同步模式异步通信收发双方没有时钟线靠双方约定的波特率来确定每一位数据持续的时间。接收方在起始位的下降沿开始按波特率等间隔采样。特点没有时钟线靠波特率同步需要起始位和停止位来界定帧线少2根TxRx速率相对较低典型应用UARTRS-232RS-485对比项同步通信异步通信时钟线有无同步方式时钟边沿采样波特率起始位/停止位数据线数量至少2根时钟数据2根TxRx帧格式不需要起始位/停止位需要起始位/停止位速率高相对较低同步精度高时钟精确同步依赖波特率精度硬件复杂度较高较低典型应用SPI、I2C、USART同步模式UART、RS-232、RS-485STM32中的例子SPI、I2CUSART异步模式stm32 中区分同步通信还是异步通信只看有没有时钟线 就可以判断出来1对多通信和1对1通信这个好理解但是后面再说单工、半双工和双工单工只能单向传A→B 或 B→A固定一个方向。特点只有一条数据线只能单向传最简单、成本最低无法反向通信典型应用广播遥控器传感器单向输出半双工可以双向传输但同一时刻只能一个方向。特点一条数据线分时复用收发不能同时需要方向控制线少成本低典型应用RS-485I2C单线UART全双工可以同时进行双向传输。A→B 和 B→A 两条路径同时工作。特点两条独立的数据线收发可以同时进行效率最高线多成本较高典型应用UARTTx和Rx独立SPIMOSI和MISO独立对比项单工半双工全双工方向单向双向分时双向同时同时收发否否能数据线数量1根1根分时复用2根独立效率最低中等最高硬件复杂度最低中等较高成本最低中等较高典型应用广播、遥控器RS-485、I2CUART、SPIMCU和串口串口和之前讲的RCC和GPIO一样都是属于片上外设在GPIO的时候我们也关注过他UART和USART的区别多了一个时钟线名称全称中文UARTUniversalAsynchronousReceiver/Transmitter通用异步收发器USARTUniversalSynchronous/AsynchronousReceiver/Transmitter通用同步/异步收发器区别就在中间那个词USART 多了 Synchronous同步功能UARTUSART异步通信有有同步通信无有时钟线无有同步模式才用数据线Tx、RxTx、Rx同步时多一根CLKUSART UART 同步功能。通信的宏观视角发送端Tx发送二进制数据1的时候输出高电平。接收端Rx读取高电平代表得到二进制数据‘1’。发送端Tx发送二进制数据0的时候输出低电平。接收端Rx读取高电平代表得到二进制数据‘0’。注意这样理解一下接收和发出先后的问题。通信的细节——本质两个问题问题1通信双方收发数据的时候怎么做到快慢一致的比特率和波特率比特率一个误解家里说的“1000兆带宽”这里的“兆”是十进制10⁶不是二进制2²⁰。而程序员说的“1KB”这里的“K”是二进制2¹⁰1024。两个“兆”不一样两个“K”也不一样。这就是误解的根源——本质就是进制的不同。体系换算规则谁在用十进制1K 10001M 10000001G 1000000000通信、网络、存储厂商二进制1K 10241M 1024×10241G 1024×1024×1024程序员、操作系统注意大写的B是Byte——字节。小写的b是bit——比特。1Byte8bit。因此这个时候引出比特率的概念——每秒传送比特位的个数也叫传信率。波特率定义每秒传输的码元数单位是 Baud波特。它决定了每一位数据持续多长时间也就是通信的“节拍速度”。那什么是码元呢结合下图理解码元 携带数据信息的信号单元。比特数据的最小单位波特率每秒传输多少个码元信号单元。比特率每秒传输多少个比特数据位。注意绝大多数情况下单片机的UART串口通信中波特率 比特率——UART是二进制码元。波特率决定了单位时间内传递的码元数量也就是传输速度也决定了单位电平信息的持续时长。对USART波特率朴素的理解对于发送方你多块发送一次数据要和接收方规定好接收方也要是相同的波特率接收数据——可以理解为协议(一部分)。其中这里的一个数据可以理解为1bit.因此解决了第一个问题通信双方收发数据的时候怎么做到快慢一致的——把发送方和接收方的波特率设置成相同的。问题2接收端怎么知道发送端什么时间开始或结束发送数据怎么知道一次携带多少个数据简单的说通信双方约定通信格式——也可以说是协议但在单片机上面说是帧格式。USART的帧格式空闲状态Idle State没有数据传输时线路保持高电平。为什么是高电平串行通信默认高电平起始位需要用“拉低”来表示所以空闲必须是高起始位Start Bit1位低电平。作用标志一帧数据的开始。关键起始位的下降沿从高到低是接收方开始采样的触发信号。告诉接收方我要开始发了后面的就是数据了。数据位Data Bits实际要传的数据通常8位也可以9位。LSB:Least Significant Bit:最低有效位——先发先收MSB:Most Significant Bit:最高有效位——后发后收 注意少数通信协议可能MSB先发。这是为了让接收设备能够更快地开始处理数据而不需要等待整个字节接收完毕。校验位Parity Bit校验位是UART帧格式里最简单的一种错误检测机制校验位 1位额外的二进制位下面是三个概念无校验不发送校验位奇校验设置校验位和数据位1的总数个数是奇数个目的是确保包括数据位和校验位在内的整个数据包中⼆进制 1 的总数是奇数个。偶校验设置校验位和数据位1的总数个数是偶数个目的是确保包括数据位和校验位在内的整个数据包中⼆进制 1 的总数是偶数个。注意无论是奇校验还是偶校验他只能检测出个别比特位的错误并不能检查全部。停止位 ( Stop Bits )一帧数据发送完毕后强制拉高电平持续1位、1.5位或2位的时间告诉接收方“这一帧结束了”。项目规定电平高电平逻辑1位数1位、1.5位、2位可配置位置数据位/校验位之后空闲位之前作用标志一帧结束为下一帧起始位做准备如果没有停止位下一帧的数据到来的时候就不能100%确定拉低电平是起始位的开始后面都是数据。总结发送或接收数据的时候除了CPU发送过来的8位规定的数据还有起始位和停止位校验位可以没有。回答问题2通过帧格式知道发送方什么时候发接收方什么时候接。