第六天：串口通信概念、原理

1. 串口通信的基本概念

 

通信过程其实分为三个步骤：

1. 发送方先按照信息编码方式编码，
2. 通过传输介质传输
3. 收到编码信息，根据事先的编码方式解码得到原信息

 

 

电子通信概念1：    同步通信和异步通信

1. 区别

首先很多地方都会与同步和异步的概念，简单来说就是发送方和接收方按照同一个时钟节拍工作就叫同步，发送方和接受方没有统一的时钟节拍、而各自按照自己的节拍工作就叫异步。

2. 同步通信中，通信双方按照统一节拍工作，所以配合很好；一般需要发送方同时发送信息和同时发送时钟信号，接收方根据发送方给它的时钟信号来安排自己的节奏。同步通信在通信双方信息交换频率固定，或者经常通信时。
3. 异步通信又叫异步通知。双方通信的频率不固定时（有时3ms收发一次，有时三天收发一次）不适合使用同步通信，而适合异步通信。异步通信时接受方不必一直在意发送方，发送方需要先发送信息时会首先给接收方一个信息开始的起始信号，接收方接受到起始信号后就认为后面紧跟着的就是有效信息，才会开始注意接受信息，直到收到发送方发过来的结束标志

 

 

电子通信概念2：   电平信号  和 差分信号

1. 电平信号和差分信号是用来描述通信线路传输方式的。也就是说如何在通信线路上表达1和0.
2. 电平信号的传输线中有一个参考电瓶线（一般是GND），然后信号线上的信号值是有信号线电平和参考线的电压差决定。
3. 差分信号的传输线中没有参考电平，所有都是信号线。然后1和0的表达靠信号线之间的电压差。

总结：电平信号线的2根通信线之间的电平差异容易受到干扰，传输容易失败；差分信号不容易受到干扰因此传输质量比较稳定，现代通信一般都是用差分信号，电平信号几乎没有了。

总结2：看起来似乎相同的通信线下，看起来似乎电平信号要比差分信号要快，但是实际差分信号快，因为差分信号抗干扰能力强，因此1个发送周期更短

电子通信概念3:  并行接口和串行接口

1. 串行、并行主要是考虑通信线的根数，就是发送方和接受方同时可以传输的信息量的多少
2. 譬如在电平信号下，1根参考电平线+1根信号线可以传递1位二进制；如果想要同时发送8位二进制就需要9根线。
3. 在差分信号下，2根线（彼此差分）可以同时发送1位二进制；如果需要同时发送8位二进制，需要16根线

 

 

总结：  经过多年的发展：   异步、串行、差分，譬如USB和网络通信。

 

 

 

2.串口通信的基本概念

 

1. 串口通信的特点：异步、电平信号、串联
   1. 异步：串口通信的发送方和接受方之间是没有统一的时钟信号的
   2. 电平信号：串口通信出现的时间较早，速率较低，传输的距离较近，所以干扰还不太明显，因此当时使用了电平信号传输。后期出现的传输协议都改成差分信号传输了。
   3. 串行通信：串口通信每次同时只能传输 1个二进制位
2. RS232电平和TTL电平
   1. 电平信号时用信号线电平减去参考线电平得到电压差，这个电压差决定了传输值是1还是0，
   2. 在电平信号时多少V代表1，多少V代表0不是固定的，取决于点阿平·电平标准。譬如RS232电平中   -3V~-15V表示1；+3V~_15V表示0； TTL电平则是+5V表示1,0V表示0.
   3. 不管哪种电平都是为了在传输线上表示1和0，区别在于适用的环境和条件不同。RS232的电平定义比较大，适合干扰到、距离远的情况；TTL电平电压范围小，适合距离近且干扰小的情况。
   4. 我们开发板用的是RC232电平的。

 

3. 波特率
   1. 波特率（bandrate）,指的是串口通信的速率，也就是串口通信时每秒钟可以传输多少个二进制。譬如每秒钟可以传输9600个二进制位，波特率就是9600.
   2. 串口通信的波特率不能随意设定，而应该在一些值中选择，一般常见的波特率是9600和115200  （低端单片机如51常用9600，高端单片机和嵌入式SoC一般用115200），为什么波特率不可以随便指定：
      1. 通信双方必须事先设定相同的波特率这样才能成功通信，如果发送方和接受方按照不同的波特率通信则根本收不到，因此比特率最好是大家熟知的而不是随意指定的
      2. 常用的波特率经过长久发展，就形成了共识，常用9600和115200.
4. 起始位、数据位、奇偶校验位。停止位
   1. 串口通信时，收发是一个周期一个周期进行的，每周期传输n个二进制位。这一个周期就叫做一个通信单元，一个通信单元是由起始位+数据位+奇偶校验位+停止位组成的
   2. 起始位表示发送方要开始发送一个通信单元；数据位是一个通信单元中发送的有效信息为；奇偶校验位是用来校验数据位，以防止数据位出错的；停止位是标志本次通信单元结束
   3. 起始位的定义是串口标准事先指定的，是有通信线上的死啊·电平变化来反映的
   4. 数据位是本次通信真正的要发送的有效数据，串口通信一次发送多少有效数据时可以设定的，一般为8位。因为我们一般通过发送的文字信息都是ASCII编码的，而ASCII码中一个字符刚好编码为8位
   5. 奇偶校验位是用来给数据位进行奇偶校验。把待校验的有效数据逐个位的加起来，综合为奇数奇偶校验为1，反之为0.可以一定程度上防止位反转。

 

总结：串口通信时是异步通信，所以通信双方必须事先约定好串口参数： 波特率、数据位、奇偶校验、停止位（串口通信的起始位是固定的）

 

3. 串口通信的原理
   1. 三根通信线：Rx    Tx    GND
      1. 任何通信都要有信息传输载体
      2. 串口通信是有线通信，是通过串口线来通信的。
      3. 串口通信线最少需要2根（GND和信号线），可以实现单工通信
         1. 单工就是单方向，双工就是双方同时收发，同时只能单方向但是方向可以改变叫半双工

可以使用3根通信线（Rx、Tx、GND）来实现全双工

4. 一般开发板都会引出SoC上串口音及哦啊直接输出的TTL电平的串口（X210开发板没有），插座用插针式插座，每个串口引出3根线。
2. 收发双方事先规定好通信参数
   1. 串口通信属于基层基本性的通信规约，他自己本身不会去协商通信参数，需要通信前书暗访书暗访双方事先约定好通信参数（一般4个最重要）
   2. 串口通信的关键参数设置不能设置错误。

信息以二进制流的方式在信道上传输

(1)、串口通信的发送方每隔一定时间（时间固定为1/波特率，单位是秒）将有效信息（1或者0）放到通信线上去，逐个二进制位的进行发送。

(2)接收方通过定时（起始时间由读到起始位标志开始，间隔时间由波特率决定）读取通信线上的电平高低来区分发送给我的是1还是0。依次读取数据位、奇偶校验位、停止位，停止位就表示这一个通信单元（帧）结束，然后中间是不定长短的非通信时间（发送方有可能紧接着就发送第二帧，也可能半天都不发第二帧，这就叫异步通信），下来就是第二帧·····

总结：第一，波特率非常重要，波特率错了整个通信就乱套了；数据位、奇偶校验位、停止位也很重要，否则可能认不清数据。第三，通过串口不管发数字、还是文本还是命令还是什么，都要先对发送内容进行编码，编码成二进制再进行逐个位的发送。

(3)串口发送的一般都是字符，一般都是ASCII码编码后的字符，所以一般设置数据位都是8，方便刚好一帧发送1个字符。

 

回顾：RS232电平和TTL电平的区别？串行通信为什么是异步的？为什么是串行而不是并行？

 

DB9接口介绍

(1)DB9接口是串口通信早期比较常用的一种规范化接口。

(2)串行通信在早期是计算机与外界通信的主要手段，那时候的计算机都有标准配置的串口以实现和外部通信。那时候就定义了一套标准的串口规约，DB9接口就是标准接口。

(3)DB9接口中有9根通信线，其中3根很重要，为GND、Tx、Rx，必不可少；剩余6根都是和流控有关的，现代我们使用串口都是用来做调试一般都禁用流控，所以这6根没用。

(4)现在一般使用串口时要记得把流控禁止掉，不然可能发生意想不到的问题。

 

 

 

 

4. S5PV210串口通信接口详解

 

1. S5PV210的串口控制器工作原理图
   1. 整个串口控制器包含transmitter和reciever两部分，两部分功能彼此独立，transmitter负责210向外部发送信息，receiver负责从外部接受信息到210内部。

 

2. 总线角度来讲，串口控制器是接在APB总线上的。对我们编程有影响的是：将来计算串口控制器的源时钟时是以APB总线来计算的。
3. receiver由接收缓冲区和接收移位器构成。当有人通过串口线向我发送信息时，信息通过Rx通信线进入我的接收移位器，然后接收移位器自动移位将该二进制位保存入我的接收缓冲区，接收完一帧数据后receiver会产生一个中断给CPU，CPU收到中断后即可知道receiver接收满了一帧数据，就会来读取这帧数据。

总结：发送缓冲区和接收缓冲区是关键。发送移位器和接收移位器的工作都是自动的，不用编程控制的，所以我们写串口的代码就是：首先初始化（初始化的实质是读写寄存器）好串口控制器（包括发送控制器和接收控制器），然后要发送信息时直接写入发送缓冲区，要接收信息时直接去接收缓冲区读取即可。可见，串口底层的工作（譬如怎么移位的、譬如起始位怎么定义的、譬如TTL电平还是RS232电平等）对程序员是隐藏的，程序员不用去管。软件工程师对串口操作的接口就是发送/接收缓冲区（实质就是寄存器，操作方式就是读写内存）

4. 串口控制器中有一个波特率发生器，作用是产生串口发送/接收的节拍时钟。波特率发生器其实就是个时钟分频器，它的工作需要源时钟（APB总线来），然后内部将源时钟进行分频（软件设置寄存器来配置）得到目标时钟，然后再用这个目标时钟产生波特率（硬件自动的）。