精講串口通信協(xié)議，小白少走彎路的東西
精講串口通信協(xié)議，小白少走彎路的東西
串口通信協(xié)議，基本上是每個單片機開發(fā)人員必會的協(xié)議，是所有通信協(xié)議里面最最常用的。但是很多人并沒有去研究過細節(jié)，這篇文章干貨滿滿，將帶你深入串口協(xié)議的內(nèi)部。
1、串口協(xié)議簡介
什么是串口通信？
簡而言之，串口通信就是通過一根導線（TX，只討論發(fā)送，當然一定還包括GND），將需要的數(shù)據(jù)按bit流傳送給接收端，既然是通信，參與的雙方當然要制定數(shù)據(jù)的傳輸方式以及規(guī)范。
隨便打開一個串口助手都可以看到，如果需要使用串口就需要配置端口、波特率、數(shù)據(jù)位、停止位、校驗位、流控這些參數(shù)。
如果接收端和發(fā)送端的設(shè)置不同，就可能會導致數(shù)據(jù)異常。
端口：這個就不用解釋了，使用串口芯片安裝驅(qū)動后就可以在電腦上看到端口號了。
現(xiàn)在，我們從電平信號角度分析一下波特率、數(shù)據(jù)位、停止位、校驗位、流控（由于用的比較少，暫不分析）的作用。
2、電平信號分析
打開串口工具，分別調(diào)整如下參數(shù)
①調(diào)整參數(shù)9600/8/N/1，發(fā)送十六進制數(shù)據(jù)55 AA
②調(diào)整參數(shù)115200/8/N/1發(fā)送十六進制數(shù)據(jù)55 AA
③調(diào)整參數(shù)9600/7/N/1發(fā)送十六進制數(shù)據(jù)55 AA
④調(diào)整參數(shù)9600/8/O/1發(fā)送十六進制數(shù)據(jù)55 BA
⑤調(diào)整參數(shù)9600/8/E/1發(fā)送十六進制數(shù)據(jù)55 BA
⑥調(diào)整參數(shù)9600/8/N/2發(fā)送十六進制數(shù)據(jù)55 AA
其中B代表起始位，E代表停止位，很明顯看出是先傳輸?shù)?/span>低bit，再傳輸?shù)?/span>高bit。
根據(jù)①②分析，調(diào)整波特率并不會影響整體波形形狀，只有bit的持續(xù)時長不同，9600波特率時的一個bit大概占104us，115200波特率大概是9us，這是可以算出來的9600：1000ms/9600 = 104.1us，115200：1000/115200=8.6us。分析可知波特率越大，傳輸速度越快。
根據(jù)①③分析，調(diào)整數(shù)據(jù)位后，55本來應(yīng)該是01010101但是數(shù)據(jù)位調(diào)整到7之后，55變成了1010101，AA本來是10101010變成了0101010，分析可知錯誤的數(shù)據(jù)位會將傳輸?shù)淖止?jié)從高位開始截斷，可能導致數(shù)據(jù)丟失。一般來說除非特殊需求，否則不會調(diào)整數(shù)據(jù)位參數(shù)。
根據(jù)①④⑤分析，將校驗位調(diào)整至奇校驗(ODD)后，傳輸的bit多了一個奇校驗位，就是說如果本來的8個bit的bit位按位加起來是偶數(shù)，則在最高位需要補一位1，否則補0，55傳輸變成了 (1)01010101，BA變成(0)10111010，同樣偶校驗（EVEN）、MASK校驗（校驗位始終為1）、SPACE校驗（校驗位始終為0）是相同的道理。
根據(jù)①⑥分析，將停止位設(shè)置為2后，傳輸?shù)慕Y(jié)束位（圖片中的E）變成之前的2倍，分析可知，設(shè)置停止位，可改變數(shù)據(jù)傳輸完成后的停止位bit持續(xù)的時間。
3、為什么需要起始位和停止位？
波特率、數(shù)據(jù)位、校驗位很好理解，都是為了實現(xiàn)不同的業(yè)務(wù)需求，但是起始位和停止位存在的意義是什么呢？
起始位：平時這根導線上是高電平，如果接收方檢測到低電平了，說明要開始接受數(shù)據(jù)了，是發(fā)送方通知接收方開始接受的一種方式。（不考慮流控）
停止位：發(fā)送方通知接收方發(fā)送完成的一種方式。發(fā)送方發(fā)送完一個字節(jié)后，“暫停一會”再繼續(xù)發(fā)送下一個字節(jié)。
這時帥氣的小伙伴就要問了，起始位存在的意義可以理解，但是為什么需要停止位呢？不是提前都約定好了傳輸8個bit，接收方不能就接受到8個bit后認為一個字節(jié)傳輸結(jié)束就OK了嗎？
能思考到這一步的小伙伴已經(jīng)很棒了。如果我們是設(shè)計師，我們從設(shè)計的角度設(shè)計一下接收方接受數(shù)據(jù)的偽代碼
//接收端接收數(shù)據(jù)線程
while(1) {
//接收到起始位下降沿電平
if((isGetStartFlag == 0) && getDownEdge()) {
Delayus(52);
//檢測起始位低電平
if(isLowPin()) {
isGetStartFlag = 1;
getBitIndex = 0;
}
}
//已經(jīng)接收到起始位
if(isGetStartFlag) {
Delayus(104);
if(getHighOrLow() == high) {
//接收到1bit
}else {
//接收到0bit
}
getBitIndex++;
if(getBitIndex == 8) {
//字節(jié)接收完成
isGetStartFlag = 0;
getBitIndex = 0;
}
}
}
按照這種偽代碼邏輯，如果不存在停止位，會產(chǎn)生兩個問題。
1、可能無法檢查下降沿
如果上一個字節(jié)最后一次傳輸是0，而下一個字節(jié)的起始位也是0，那么下一個字節(jié)的起始位就檢測不到下降沿，無法觸發(fā)下一個字節(jié)的傳輸，就會丟失數(shù)據(jù)。這時帥氣的小伙伴又要問了，那我不檢查下降沿，只檢查低電平不行嗎？直接把getDownEdge換成isLowPin函數(shù)不就可以了嗎，確實可以，這樣又會引入第二個問題。
2、時鐘同步問題
假設(shè)A跟B說，10分鐘后你提醒我喝水，然后B就看著自己的表，10分鐘后提醒A，這時A一看表，才過去9分鐘。這種場景現(xiàn)實也會出現(xiàn)，造成的原因是A和B的表不同步或者有誤差這個誤差的引入就導致了A和B所指的“10分鐘”不相同，在我們這個串口的場景里，就是發(fā)送方和接收方約定了9600波特率，也就相當于約定了104.1us傳輸一個字節(jié)，按照上面的偽代碼，幾個采集點應(yīng)該是
但是由于誤差，可能導致采集點偏移為
這兩個圖能大致表達時鐘不同步，導致接收設(shè)備的采集點后移，如果這時引入了停止位，第二個BYTE開始時，由于還是從下降沿開始采集，所以會重置上一個BYTE引入的誤差。
4、總結(jié)
這篇干貨基本把串口協(xié)議分析透徹了，大家在分析協(xié)議的時候，最好是從設(shè)計的角度去思考這樣設(shè)計的作用，如果有什么分析不對的地方，歡迎大家指正。
