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# 1. 串口通信概述

## 1.1. 计算机通信

问题：

1. 我们知道的通信方式有哪些？
2. 理解通信技术的发展。
3. 通信的要素：以烽火为例子。

























通信要素：

1. 硬件：通信介质
2. 软件：
   1. 语法：格式
   2. 语义：格式中信息的具体含义

### 1.1.1. 并行通信

![image-20240926082752190](./img/image-20240926082752190.png)

优势：

1. 一次传输1个字节；
2. 速度快；
3. 信息表达相对简单；

劣势：

1. 只适合短距离传输；
2. 成本高。

问题：那些地方采用并行通信？

### 1.1.2. 串行通信

![image-20240926083220154](./img/image-20240926083220154.png)

优势：

1. 适合长距离传输；
2. 成本低；

劣势：

1. 速度相对较慢；
2. 信息表达（通信控制）相对复杂；

问题：

1. 那些设备是串行通信？
2. 是否可以结合串行和并行的优势？如何结合？

## 1.2. 串行通信的基本概念

### 1.2.1. 同步和异步

![image-20240926105411531](./img/image-20240926105411531.png)

1. 通信双方需要专门又时钟线来同步双方的时钟，并保持严格一致；
2. 通信速度相对较高；
3. 如 SPI、I2C通信；

![image-20240926105432567](./img/image-20240926105432567.png)

1. 不需要时钟同步；
2. 通信双方对时间的理解差异可以有少量的偏差；
3. 每通信一帧（固定数量的bit位），会进行一次同步（如上图的START和STOP电平）；
4. 例如USB、UART（串口）；

### 1.2.2. 异步串行通信的特点

![image-20240926110126910](./img/image-20240926110126910.png)

1. 以固定的长度（位）传输一组数据（帧）；对于串口来说，一帧一般是一个字符（注意不是字节，以前一个字符是7个位；现在几乎都是8个位，和字节是对应的）；
2. 通过帧之间的间隔来进行时间的同步；
3. 如果通信双方对时间的理解差异较小，那就可以在一帧的时间片内检查到有效数量的0和1的序列（帧），这样不需要通信双方对时间的理解完全一致，因为在一帧内的时间差异几乎可以忽略。

**字符格式：**

![image-20240926110639835](./img/image-20240926110639835.png)

一般由起始位、数据位、校验位、停止位组成。对于连续的通信来说，停止也就是起始，因此往往设置停止就可以了。

1. 空闲情况下，通信线路的电平为高；
2. 当需要传输数据的时候，发送方把电位拉低，持续一段时间（开始位）；
3. 然后连续发送一个字符和校验位；
4. 最后拉高电平至少持续一段时间（停止位），表示该帧数据发送完成；

从上述的通信过程得知，空闲（不传输数据）为高电平；一旦低电平后，表示通信开始；字符传输完成后，拉高电平；因此起始其实是可以不要的。

![alt text](img/uart1.drawio.png)

奇偶校验：

奇校验：如果数据中1的个数为奇数，则奇校验位0，否则为1。

偶校验：如果数据中1的个数为偶数，则偶校验位0，否则为1。

![image-20240926114933398](./img/image-20240926114933398.png)

**波特率：**

波特率是每秒传输位的单位（bps），波特率越高，表示通信速率越快。注意，在任何通信场景中，通信速率的都应该用bps表示；例如100M的以太网，表示 100Mbps，也就是每秒大约传输10M字节（本来应该是100M/8，但是可能有停止位和校验，因此大约估算是100M/10）。

### 1.2.3. 异步串口通信的数据接收过程

![image-20240926115059698](./img/image-20240926115059698.png)

我们假设采样时钟是波特率的16倍,具体的数据接收过程如下：

1. 接收过程由起始位的下降沿启动。
2. 接收端等待8个时钟周期，以便建立一个接近起始位周期中点的采样点。
3. 接收端再次等待 16个时钟周期，使其进入第一个数据位周期的中点。
4. 第一个数据位被采样并存储在接收寄存器中。
5. 串口模块在采样第二个数据位之前，等待另外16个时钟周期。
6. 重复此过程，直到所有的数据位都被采样和存储。
7. 由停止位的上升沿使数据线返回到空闲状态。

### 1.2.4. 串行通信的传输方向

![image-20240926120728340](./img/image-20240926120728340.png)

## 1.3. STM32串口通信

![image-20240926120759519](./img/image-20240926120759519.png)

**数据寄存器：**

1. TDR 发送寄存器，结合发送位移寄存器，把数据以电平的方式用时间进行排序发送到TX引脚；
2. RDR 接收寄存器，通过接收位移寄存器组成的一个字符装载到RDR；

**通信状态标志位：**

![image-20240926163850067](./img/image-20240926163850067.png)

轮询方式可以通过读取上述的状态来进行控制：

1. RXNE表示有新的数据（字符）；
2. TXE：表示可以向TDR写入新的数据；
3. TC：发送完成；

中断方式也会有对应的三种方式。

## 1.4. 硬件结构

串口通信的示意图是这样的：

![alt text](img/uart2.drawio.png)

但是目前的很多计算机没有串口，因此在开发板上有一个USB转串口的芯片：

![image-20240926165734028](./img/image-20240926165734028.png)

因此实际的情况是这样：

![alt text](img/uart3.drawio.png)

这个芯片在开发板的位置是：

![image-20240926170851906](./img/image-20240926170851906.png)

# 2. HAL库外设初始化过程