3.2.1　串行通信原理

串行通信可以分为同步通信和异步通信两类。同步通信是通过识别同步字符来实现数据的发送和接收，异步通信是一种利用字符的再同步技术的通信方式。

1.异步通信

串口异步通信的概念非常简单，串口按位（bit）发送和接收字节。尽管这种方式比按字节（byte）的并行通信慢，但是它很简单并且能够实现远距离通信。比如IEEE488定义并行通信状态时，规定设备线总长不得超过20m，任意两个设备间的长度不得超过2m；而对于串口而言，长度可达1 200m。典型的串口异步通信用于ASCII码字符的传输，可使用3根线完成：地线、发送线和接收线。由于串口异步通信方式是异步的，端口能够在一根线上发送数据同时在另一根线上接收数据。其他线可用于握手，但是不是必须的。

串口异步通信最重要的参数是波特率、数据位、停止位和奇偶校验。对于两个进行通信的端口，这些参数必须匹配。

（1）波特率：这是一个衡量通信速度的参数。它表示每秒钟传送bit的个数。例如，300波特表示每秒钟发送300个bit。当我们提到时钟周期时，就是指波特率，例如，如果协议需要9 600波特率，那么时钟是9 600Hz，这意味着串口通信在数据线上的采样率为9 600Hz。通常路由器上的串行接口配置为9 600Hz和115 200Hz。波特率可以远远大于这些值，但是波特率和距离成反比，高波特率常常用于放置很近的仪器间的通信。

（2）数据位：这是衡量通信中实际数据位的参数。当计算机发送一个信息包，实际的数据可以是5、7和8位。如何设置取决于用户想传送的信息。比如，标准的ASCII码是0～127（7位）。扩展的ASCII码是0～255（8位）。如果数据使用简单的文本（标准ASCII码），那么每个数据包使用7位数据。每个包是指一个字符，包括开始/停止位、数据位和奇偶校验位。

（3）停止位：用于表示单个包的最后一位。典型的位数为1、1.5和2位。由于数据是在传输线上定时的，并且每一个设备有自己的时钟，很可能在通信中两台设备间会出现小小的不同步，因此停止位不仅仅是表示传输的结束，而且提供设备校正时钟同步的机会。停止位的位数越多，不同时钟同步的容忍程度越大，但是数据传输率也就越慢。

（4）奇偶校验位：用于串口通信中简单的检错，共分为四种检错方式：偶、奇、高和低。奇偶校验位是可选的。对于偶和奇校验方式，串口会设置校验位（数据位后面的一位），用一个值确保传输的数据有偶个或者奇个逻辑高位。例如，如果数据是011，那么对于偶校验，校验位为0，保证逻辑高的位数是偶数个；对于奇校验，校验位为1，这样就有奇数个逻辑高位。高位和低位这两种方式不真正地检查数据，只是简单将校验位置为逻辑高或者逻辑低。这样使得接收设备能够知道校验位的状态，有机会判断是否有噪声干扰了通信或者是否传输和接收数据不同步。

有空闲位的数据包结构如图3-1所示。

图3-1　串行通信数据包格式示意图

2.同步通信

同步通信是一种连续串行传送数据的通信方式，一次通信只传送一帧信息。这里的信息帧与异步通信中的字符帧不同，通常含有若干个数据字符。同步通信包含了单同步字符帧和双同步字符帧，其结构如图3-2所示。

图3-2　同步通信帧格式

这两种帧均由同步字符、数据字符和校验字符（CRC）组成。其中同步字符位于帧开头，用于确认数据字符的开始；数据字符在同步字符之后，个数没有限制，由所需传输的数据块长度来决定；校验字符有1～2个，用于接收端对接收到的字符序列进行正确性的校验。这两种帧的区别是单同步字符帧中只有一个同步字符，而双同步字符帧中采用了两个同步字符来完成同步。同步通信的缺点是要求发送时钟和接收时钟保持严格的同步。