嵌入式硬件通信接口協(xié)議-UART（一）協(xié)議基礎(chǔ)

       如果拿到一塊板子或者一套設(shè)備，但沒有源碼程序，純靠硬件抓取通信串口的數(shù)據(jù)內(nèi)容，首先利用示波器觀測每個(gè)bit的寬度，后換算成比特率，這時(shí)候比特率基本上就是波特率了。利用串口助手模塊，在PC端下載個(gè)串口助手，設(shè)置匹配的波特率進(jìn)行數(shù)據(jù)抓取。

　　比如抓到波形116us/bit， 直接轉(zhuǎn)換得：1bit/116us = 1 bit/(116/1000000)s = 8620.68 bit/s，此時(shí)配置串口助手的波特率，利用串口助手模塊與被測信號(hào)管腳進(jìn)行連接，即可實(shí)現(xiàn)串口數(shù)據(jù)的抓取。

　　(二)數(shù)據(jù)位Data bits：

　　在維基百科的介紹中，數(shù)據(jù)的位數(shù)一般可有5～9位，其中各個(gè)位數(shù)的應(yīng)用場景也是有區(qū)別的：

　　5位常用于博多碼(Baudot code)

　　7位常用于ASCII字符

　　8位則用于大多數(shù)類型的數(shù)據(jù)并且與字節(jié)(Byte)匹配

　　6位9位少用

　　收發(fā)雙方定義了相同的數(shù)據(jù)位寬后，才能對(duì)信號(hào)管腳采樣時(shí)正確解碼到傳輸?shù)臄?shù)據(jù)內(nèi)容。

　　如上列出的不同數(shù)據(jù)位數(shù)情況，在不同的應(yīng)用場景中，能夠選擇合適的數(shù)據(jù)完成高效率的傳輸。

　　(三)校驗(yàn)位Parity：

　　校驗(yàn)位可在數(shù)據(jù)傳輸過程中，接收方對(duì)信號(hào)管腳進(jìn)行采樣和解碼時(shí)，對(duì)數(shù)據(jù)的完整性和正確性進(jìn)行校驗(yàn)，保證在通信過程中，可有效排除線路不穩(wěn)定或者外界的干擾導(dǎo)致數(shù)據(jù)位出錯(cuò)的問題。

　　校驗(yàn)位作為可選的配置項(xiàng)，可進(jìn)行的配置方式有：

　　配置方式

　　作用

　　備注

　　None

　　無校驗(yàn)

　　在數(shù)據(jù)傳輸?shù)膸Y(jié)構(gòu)中沒有校驗(yàn)位

　　Odd

　　奇校驗(yàn)

　　數(shù)據(jù)中”1”的個(gè)數(shù)是奇數(shù)，校驗(yàn)位被置0;

　　數(shù)據(jù)中”1”的個(gè)數(shù)是偶數(shù)，校驗(yàn)位被置1。

　　Even

　　偶校驗(yàn)

　　數(shù)據(jù)中”1”的個(gè)數(shù)是奇數(shù)，校驗(yàn)位被置1;

　　數(shù)據(jù)中”1”的個(gè)數(shù)是偶數(shù)，校驗(yàn)位被置0。

　　Mark

　　校驗(yàn)位始終是“1”

　　校驗(yàn)位始終是“1”

　　Space

　　校驗(yàn)位始終是“0”

　　校驗(yàn)位始終是“0”

　　對(duì)于奇偶校驗(yàn)位的設(shè)置，比較容易混淆的是奇校驗(yàn)和偶校驗(yàn)的設(shè)定，在下圖中分別列出了所有校驗(yàn)位配置方式的時(shí)序圖，其中傳輸?shù)臄?shù)據(jù)是DigCore的縮寫DC，即十六進(jìn)制為0xDC：

　　對(duì)比觀察上圖中的各類校驗(yàn)方式，簡單說奇校驗(yàn)(Odd-Parity)方式，傳輸?shù)臄?shù)據(jù)0xDC，二進(jìn)制11011100，從二進(jìn)制數(shù)值看到有5個(gè)“1”，也就是奇數(shù)個(gè)“1”，則在校驗(yàn)位被置“0”，此時(shí)邏輯“1”的個(gè)數(shù)總和等于奇數(shù)5，從而實(shí)現(xiàn)奇校驗(yàn)。

　　簡而言之，保證一個(gè)原則是，開啟奇校驗(yàn)時(shí)，數(shù)據(jù)中“1”的個(gè)數(shù)與校驗(yàn)位“1”數(shù)量總和為奇數(shù)，開啟偶校驗(yàn)時(shí)，該數(shù)量總和為偶數(shù)。

　　(四)停止位Stop bits：

　　停止位可配置成1bit、1.5bit和2bit三種，配置成其中一種的時(shí)候，信號(hào)管腳的電平保持對(duì)應(yīng)bit時(shí)長的高電平。

　　停止位的意義在于標(biāo)志著一個(gè)數(shù)據(jù)的發(fā)送完成，同時(shí)保證了收發(fā)雙方在進(jìn)行硬件操作的時(shí)候，提供了可靠的處理時(shí)間。

　　(五)流控制Flow control：

　　流控制，俗話說就是“握手”。流控制的作用，在不同處理性能的設(shè)備之間，數(shù)據(jù)傳輸之前，接收方會(huì)以“流控制”來通知發(fā)送方，是否可以繼續(xù)進(jìn)行接下來的數(shù)據(jù)傳輸。這樣的應(yīng)用場景多見于計(jì)算機(jī)與低性能的微控制器通信，也可見于PC與打印機(jī)之間進(jìn)行的數(shù)據(jù)傳輸，該特點(diǎn)都是接收方的接收緩存已滿或處理事務(wù)較慢時(shí)，從而需要流控制來告知發(fā)送方稍后再發(fā)送。

　　流控制的方式分別有軟件和硬件兩種。

　　軟件的流控制方式，在UART通信中，只需RxD、TxD、GND三根即可，數(shù)據(jù)在傳輸過程中，依靠代碼的判斷處理，并通過收發(fā)雙方進(jìn)行的數(shù)據(jù)交互完成控制，在現(xiàn)有通信物理信號(hào)線基礎(chǔ)上，使用控制字符(ASCII表中的0x00～0x0x1F、0x7F)完成控制指令的交互。一般在私有協(xié)議下也會(huì)定義一些特殊字符設(shè)為控制指令。

　　硬件的流控制方式，即在原有的RxD、TxD、GND三根信號(hào)線的基礎(chǔ)上，再增加RTS/CTS和DTR/DSR這兩組信號(hào)線。

　　第一組線是RTS(Request toSend)和CTS(Clear toSend)。當(dāng)接收方準(zhǔn)備好接收數(shù)據(jù)，它置高RTS線表示它準(zhǔn)備好了，如果發(fā)送方也就緒，它置高CTS，表示它即將發(fā)送數(shù)據(jù)。

　　第二組線是DTR(DataTerminal Ready)和DSR(Data SetReady)。這些線主要用于Modem通信。使得串口和Modem通信他們的狀態(tài)。

　　例如：當(dāng)Modem已經(jīng)準(zhǔn)備好接收來自PC的數(shù)據(jù)，它置高DTR線，表示和電話線的連接已經(jīng)建立。讀取DSR線置高，PC機(jī)開始發(fā)送數(shù)據(jù)。一個(gè)簡單的規(guī)則是DTR/DSR用于表示系統(tǒng)通信就緒，而RTS/CTS用于單個(gè)數(shù)據(jù)包的傳輸。

　　而在實(shí)際的應(yīng)用中，硬件的方式比較少用，最大的原因是消耗硬件成本，并且在當(dāng)前的MCU性能下，UART的FIFO緩存器、MCU的UART事件中斷等等因素，都能夠完成數(shù)據(jù)的接收和存儲(chǔ)，并且對(duì)大多數(shù)的應(yīng)用場景是完全足夠，因此在很多應(yīng)用中已經(jīng)很少用到硬件流控制。

　　信號(hào)

　　定義

　　作用

　　DTR

　　數(shù)據(jù)終端準(zhǔn)備好

　　Data Terminal Ready

　　DSR

　　數(shù)據(jù)準(zhǔn)備好

　　Data Set Ready

　　RTS

　　請(qǐng)求發(fā)送

　　Request To Send

　　CTS

　　清除發(fā)送

　　Clear To Send

　　文章到此已經(jīng)完成了對(duì)UART協(xié)議基礎(chǔ)的描述，欲知UART的不同電氣特性下的接口規(guī)范，且聽下回分解!

　　參考資料：

　　《串行接口》@百度百科

　　《Serial Port》@維基百科

　　《波特》@百度百科