一文看懂串口协议

前言

好久没更新文章了，这篇文章写写停停，用了近一周的时间，终于写完了，谢谢大家的关注。本篇文章介绍，串口协议数据帧格式、串行通信的工作方式、电平标准、编码方式及Verilog实现串口发送一个字节数据和接收一个字节数据。

对于MCU串口的发送接收，可能就是1行代码就能实现串口的发送和接收：

STM32的串口接收和发送

1. //STM32发送1个字节

2. USART_SendData(USART1, 'A');

3. while (USART_GetFlagStatus(DEBUG_USARTx, USART_FLAG_TXE) == RESET);

4. 
   

5. //STM32接收1个字节：

6. uint8_t Res;

7. while (USART_GetFlagStatus(USART1, USART_FLAG_RXNE) == RESET);

8. Res = USART_ReceiveData(USART1);

51单片机的发送和接收

1. //51单片机发送1个字节

2. SBUF = 'A;

3. while(!TI);

4. TI=0;

5. 
   

6. 
   

7. //51单片机接收1个字节：

8. char Res;

9. if(RI)

10. {

11. Res = SBUF;

12. RI = 0;

13. }

更方便一点的，通过重写C库fput函数和fgetc函数，还可以实现printf直接重定向到串口，用来输出一些调试信息再方便不过了。

STM32实现输入输出重定向到串口发送接收

1. //可重定向printf函数

2. int fputc(int ch, FILE *f)

3. {

4. USART_SendData(DEBUG_USARTx, (uint8_t) ch);

5. while (USART_GetFlagStatus(DEBUG_USARTx, USART_FLAG_TXE) == RESET);

6. return (ch);

7. }

8. //可重定向scanf函数

9. int fgetc(FILE *f)

10. {

11. while (USART_GetFlagStatus(DEBUG_USARTx, USART_FLAG_RXNE) == RESET);

12. return (int)USART_ReceiveData(DEBUG_USARTx);

13. }

而MCU上的串口是半导体厂商预先设计好的，几乎是MCU的标配，高度集成，使用起来十分方便，但是串口的引脚基本上是固定的，不可以更改。对于硬件橡皮泥——FPGA来说，需要使用HDL从底层串口数据帧来实现，可以直接在任意一个引脚实现串口功能。为了用Verilog HDL实现标准的串口通讯协议，我们有必要先来详细了解一下串口通讯协议。

串口数据帧格式

波特率

波特率，即比特率（Baud rate），即通信双方“沟通的语言”，通信双方要设置为一样的波特率才可以正常通信。表示每秒发送的二进制位数，即传输1位的时间是：1/波特率 秒，如，波特率9600bps，即每秒传输9600bit，那么每一位的时间为：1/9600 s = 104.1666us，常用的波特率有：4800/9600/115200/12800等等，也可以根据需要自定义波特率大小，如1M或者3M，但是有的PC或者USB-TTL模块不支持太高速度的波特率，常用的USB-TTL芯片有：CH340，CP2102，PL2103，FT232等，其中FT232HL芯片最大支持12M的波特率，当然价格也比其他芯片高一些。

起始位和停止位

数据帧从起始位开始，到停止位结束。起始信号用逻辑0表示，而停止位是用逻辑1表示，一般有0.5位、1位、1.5位或2位停止位，常用的一般是1位停止位，只要通信双方约定一致即可。

数据位

起始位之后，紧跟着的是数据位，低位（LSB）在前，高位（MSB）在后，一般有5位、6位、7位和8位数据位，常用的是8位数据位，因为一个字节正好是8位。

校验位

校验位一般用来判断接收的数据位有无错误，校验方法有：奇校验（odd）、偶校验（even）、0校验（space）、1校验（mark）及无校验（noparity）。奇校验要求有效数据和校验位中“1”的个数为奇数，比如一个8位长的有效数据为：01101001，此时共有4个“1”，为达到奇数个"1"的效果，校验位为“1”，让“1”的个数变成5个（奇数）。偶校验刚好相反，要求有效数据和校验位的“1”数量为偶数，则此时为达到偶校验效果，校验位为“0”。而0校验，即校验位总是为“0”，1校验校验位总是为“1”。奇偶校验逻辑相反，01校验逻辑相反。一般是奇偶校验或者是无校验位。

奇偶校验的Verilog实现

在Verilog中奇偶校验的计算非常简单，根据奇偶校验的原理，偶校验为数据位各位异或，奇校验是偶校验取反，通过使用单目运算符的缩减功能，可以非常简单的计算奇偶校验位：

1. input [7:0] data_in, //需要发送的8位数据

2. 
   

3. wire even_bit; //偶校验位 = 各位异或

4. wire odd_bit; //奇校验位 = ~偶校验位

5. 
   

6. assign even_bit = ^data_in; //一元约简运算符，等效于data_in[0] ^ data_in[1] ^ .....

7. assign odd_bit = ~even_bit;

8. 
   

9. wire POLARITY_BIT = even_bit; //偶校验

关于波特率允许的误差

经过我的实际测试，波特率是有一定的容错范围的，例如，STM32配置成115200波特率，每10ms发送一个30字节的字符串，串口芯片用的CH340，上位机波特率设置成113000-121000也可以接收，无乱码，差不多正负2000的波特率，这容错范围也太大了，当然如果发送频率太快，数据量太大，误码率肯定会大大增加，所以还是建议通信双方使用同样的波特率以减少误差。

串口数据的实际波形

使用串口上位机连接USB-TTL模块，发送一个字节数据：1位停止位 8位数据位 1位奇校验位 1位停止位，使用示波器的单次触发功能，可以在USB-TTL模块的TX引脚测得串口协议数据的实际波形，你知道这发送的是什么字符吗？

一个字符的实际波形

两个字符的实际波形

单工、半双工、全双工、异步和同步的区别

在介绍串口的电平标准之前，先来了解一下串行通信的工作方式，即单工、半双工、全双工，异步和同步的区别。

单工

单工，即数据传输只在一个方向上传输，只能你给我发送或者我给你发送，方向是固定的，不能实现双向通信，如：室外天线电视、调频广播等。

半双工

半双工比单工先进一点，传输方向可以切换，允许数据在两个方向上传输，但是某个时刻，只允许数据在一个方向上传输，可以基本双向通信，如：对讲机，IIC通信。

全双工

比半双工更先进的是全双工，允许数据同时在两个方向传输。发送和接收完全独立，在发送的同时可以接收信号，或者在接收的同时可以发送。它要求发送和接收设备都要有独立的发送和接收能力，如：电话通信，SPI通信，串口通信。

同步和异步的区别

串行通信可以分为两种类型，一种叫同步通信，另一种叫异步通信。

简单的说，就是同步通信需要时钟信号，而异步通信不需要时钟信号。

• 同步：发送方发出数据后，等接收方发回响应以后才发下一个数据包的通讯方式。

• 异步：发送方发出数据后，不等接收方发回响应，接着发送下个数据包的通讯方式。

SPI和IIC为同步通信，UART为异步通信，而USART为同步