串口通信的基本原理是什么？

串口通信的概念非常简单，串口按位（bit）发送和接收字节。尽管比按字节（byte）的并行通信慢，但是串口可以在使用一根线发送数据的同时用另一根线接收数据。它很简单并且能够实现远距离通信。

好的，串口通信（串行通信接口通信）的基本原理是通过一根数据线（或配合少量控制线）将数据一位接一位地、按顺序逐位进行传输。

以下是其核心原理的详细分解：

串行传输：
- 这是串口通信的核心特征。与并行通信（多位数据同时通过多条线传输）不同，串口通信在同一时间点只传输一位数据（1比特, bit）。
- 数据字节（通常是8位，但也可以是5-9位）被分解成一个个单独的比特位。
- 这些比特位按照从最低有效位（LSB）到最高有效位（MSB）（或反之，取决于配置）的顺序，依次在单根数据线上发送（发送端Tx）或接收（接收端Rx）。
异步通信：
- 大多数通用串口通信是异步的。这意味着发送端和接收端没有共用的时钟信号来严格同步每一位的精确发送/接收时刻。
- 双方设备需要提前约定好一些关键的通信参数（速率、格式、校验），并通过起始位和停止位来界定每个数据帧（数据包）的边界。
通信参数约定（关键！）：
- 波特率： 数据传输的速率。表示每秒钟传输的符号（symbol）数量。在常见的NRZ编码下，1个符号=1个比特（bit），所以波特率（bps）等同于比特率（bps）。例如，9600波特表示每秒传输9600个比特。发送方和接收方必须设置为相同的波特率，否则无法正确识别数据。
- 数据位： 每个数据帧中包含的实际数据位数。常见的是7位或8位（一个字节）。
- 停止位： 表示一个数据帧结束的信号位。通常是1位、1.5位或2位（逻辑高电平）。它起到分隔帧和填充时间的双重作用。
- 校验位： （可选）用于简单的错误检测。通常有奇校验、偶校验或无校验：
  - 奇校验： 数据位+校验位中，“1”的总个数为奇数。
  - 偶校验： 数据位+校验位中，“1”的总个数为偶数。
  - 接收端会根据校验规则检查接收到的数据位+校验位是否满足约定的奇/偶性。如果不满足，说明传输过程中可能发生了单比特错误。
数据帧格式： 一个完整的串口数据帧通常由以下几部分组成（从起始到结束顺序）：
1. 起始位： 固定为逻辑低电平（0）。它通知接收端“即将开始发送一个数据帧”。
2. 数据位： 5-9位用户数据（通常是8位），从LSB开始发送。
3. 校验位： （如果有）1位，根据数据位内容计算得出。
4. 停止位： 逻辑高电平（1），通常为1位（常见）、1.5位或2位。标志着该数据帧的结束，并为接收端提供时间准备接收下一帧。
逻辑电平标准：
- 原始的逻辑电平（如单片机UART的Tx/Rx引脚信号）是TTL电平：逻辑高电平接近电源电压（如3.3V或5V），逻辑低电平接近0V。
- 为了长距离传输（可达15米以上）和抗干扰，使用RS-232标准电平：逻辑“1” = -3V到-15V，逻辑“0” = +3V到+15V。这需要一个电平转换芯片（如MAX232、CH340等）来连接TTL设备（如MCU）和符合RS-232标准的接口（如DB9接头）。
双工模式：
- 串口通信通常是全双工的：因为有独立的发送线（Tx）和接收线（Rx），发送端和接收端可以同时收发数据。
- 也有配置为半双工的应用：同一时刻只能有一个设备发送，另一个设备接收（需要额外的控制逻辑或协议管理发送权）。
硬件流控：
- （可选）为了管理数据传输速度，防止接收端缓冲区溢出（接收不过来），可以使用额外的控制线（如RTS, CTS）来进行硬件流控：
  - RTS（请求发送）: 发送方准备好发送数据时，拉低RTS信号通知接收方。
  - CTS（清除发送）: 接收方准备好接收数据时，拉低CTS信号响应发送方。只有CTS有效（低电平）时，发送方才发送数据。