串口通信（Serial Communication）是一种通过单根数据线逐位（bit-by-bit）顺序传输数据的通信方式。它历史悠久、结构简单、成本低廉，广泛应用于单片机、传感器、工控设备、早期计算机外设（如鼠标、调制解调器）等场景。

核心原理

串口通信的核心在于 “串行” 和 “异步”：

1. 串行 (Serial)：

   • 与并行通信（同时用多根线传输多位数据）相反。
   • 数据（一个字节，通常是8位）的每一个比特（bit） 按照规定的顺序（通常是先最低位 LSB，后最高位 MSB）依次通过一条数据线（或一对差分线）发送出去。接收方也通过这条线依次接收这些比特，再重新组合成完整的字节。
   • 优点： 所需的物理线路少（通常只需1或2根数据线，再加上地线），成本低，布线简单，适合长距离传输（相对于并行）。
   • 缺点： 速度通常低于并行通信（在同等技术条件下）。

2. 异步 (Asynchronous):

   • 与同步通信（通信双方需要共享时钟信号）相反。
   • 通信双方没有共享的时钟信号来精确同步每个比特传输的时刻。
   • 依赖预定义的通信参数：
     • 波特率 (Baud Rate)： 双方约定每秒钟传输的符号（symbol）数量，一个符号通常代表一个比特（bps - bits per second）。例如9600波特率 ≈ 9600位/秒。波特率必须严格一致，否则会产生累积误差导致错乱。
     • 数据位 (Data Bits)： 每个数据包包含的数据位数，常见的是8位（一个字节）。
     • 停止位 (Stop Bits)： 在数据位后发送的表示数据包结束的位电平（通常是逻辑“1”）。常见1位、1.5位或2位。用于给接收方提供时钟同步的缓冲，并且标识包的结束。
     • 奇偶校验位 (Parity Bit)： 可选的位，用于简单的错误检测。可以设置为偶校验（保证数据位+校验位中“1”的总数为偶数）、奇校验或没有校验。
   • 协议帧结构： 每个字节的数据被打包成一个独立的“帧”来传输。一个典型的8-N-1帧结构（8个数据位，无校验，1个停止位）如下图所示：

       空闲状态 (逻辑"1")               1  0  0  1  0  1  0  1                 空闲状态
       ---------------^-------------     ^  ^  ^  ^  ^  ^  ^  ^     ---------------
       |        |      |        |         |  |  |  |  |  |  |  |         |
     起始位(逻辑"0")  数据位 (LSB先)            校验位(可选)   停止位(逻辑"1")

     • 起始位 (Start Bit)： 帧的开始标志。将数据线从空闲状态的高电平（逻辑“1”）拉低到低电平（逻辑“0”），通知接收方“即将开始传输一个字节的数据”。
     • 数据位 (Data Bits)： 紧接着起始位传输的实际数据比特。位数可变（5-9位，通常8位）。
     • 校验位 (Parity Bit - 可选)： 用于检测数据传输过程中是否发生单比特错误（不够可靠）。
     • 停止位 (Stop Bits)： 恢复到空闲状态的高电平（逻辑“1”）。给接收方时间完成当前字节的处理，并为下一帧的起始位（下降沿）做准备。可以是1、1.5或2位的时间长度。
   • 同步机制：
     • 起始位的下降沿是接收方最主要的同步信号。
     • 一旦检测到起始位，接收方就会启动内部时钟（或基于波特率生成的时间窗口），在这个时钟的控制下，在每一位的大致中心时刻（理论上误采样可能性最低的点）采样数据线的电平，以读取该比特的值。
     • 停止位和双方严格遵守相同的波特率保证了帧与帧之间时钟偏差不会累积到影响数据识别的程度。

硬件实现 (UART)

• 计算机或设备内部真正处理串行数据的硬件组件叫UART（Universal Asynchronous Receiver/Transmitter，通用异步收发传输器）。
• UART负责：
  • 发送端： 将CPU送来的并行数据转换成串行比特流（按照帧格式添加起始位、校验位、停止位）。
  • 接收端： 检测起始位，根据设定的波特率和帧格式在正确的时间点采样数据线电平，将接收到的串行比特流重新组合成并行数据供CPU读取，并执行错误检查（如校验位、帧错误）。
  • 缓存： 通常有小的FIFO缓冲区（发送和接收）来平滑数据传输。
• 逻辑电平转换：
  • 芯片的UART引脚使用TTL/CMOS逻辑电平：0代表低电平（接近0V），1代表高电平（通常接近芯片的VCC，如3.3V或5V）。
  • 为了长距离（>1-2米） 或抗干扰，常需要使用额外的电平转换芯片（如MAX232）或差分线路驱动器/接收器（如RS-422, RS-485）将其转换为适合长距离传输的物理信号（如RS-232标准的±12V）。物理接口（如DB9）通常关联的是这些电平标准。

关键概念总结

1. 比特级串行化： 数据逐位传输。
2. 帧结构： 每个字节包装在起始位、停止位（和可选校验位）组成的帧中。
3. 异步协议： 无共享时钟，靠起始位同步，严格依赖预定义的波特率。
4. UART引擎： 处理并行<->串行转换和协议逻辑。
5. 电平转换： UART的电平通常需要转换成RS-232、RS-485等标准以匹配不同物理层接口要求。
6. 点对点基础： 基本串口通信是两个设备（一个TX，一个RX）之间直接连接。更复杂的组网（如RS-485多节点）需额外协议。

总而言之，串口通信以其简单性和低资源需求在嵌入式系统和工业控制等领域经久不衰，其核心原理就是通过预先约定的规则（波特率、帧格式），利用起始位的下降沿在一个线上实现异步的、逐位的数据传输。