串行通信的基本原理是通过单条传输线，将数据分解为逐个比特（bit），按时间顺序依次传输，在接收端重新组合为完整数据的过程。其核心可概括为以下要点：

核心原理

1. 逐比特传输

   • 与并行通信（多线同时传输多个比特）不同，串行通信仅用一条数据线（或一对差分线）传输数据。
   • 发送端将数据的每个比特（如一个字节的8个比特）按顺序拆分，依次发送。
   • 接收端按相同顺序逐比特接收并重组为原始数据。

2. 时序同步

   • 波特率（Baud Rate）：双方需约定单位时间内传输的比特数（如9600 bps表示每秒9600比特）。波特率一致是正确解码的基础。
   • 时钟信号：
     • 同步通信：通过专用时钟线（如I²C、SPI）或嵌入数据的编码（如曼彻斯特编码）确保收发方时钟同步。
     • 异步通信（如UART）：无时钟线，依赖起始位和停止位标记数据帧边界，并依靠波特率校准时序。

3. 数据帧结构
   典型异步通信帧（以UART为例）：

   [起始位] [数据位（5-8位）] [校验位（可选）] [停止位（1-2位）]

   • 起始位：逻辑低电平（0），提示接收方数据开始传输。
   • 数据位：实际传输的数据（如一个字节的比特）。
   • 校验位：用于错误检测（奇偶校验确保1的个数为奇/偶）。
   • 停止位：逻辑高电平（1），标志数据帧结束。

4. 电平信号表示

   • 通过物理层的电压变化表示比特值：
     • 单端信号（如TTL-UART）：高电平=1，低电平=0。
     • 差分信号（如RS-485）：两条线的电压差表示逻辑状态，抗干扰更强。

5. 通信模式

   • 单工（Simplex）：单向传输（如广播）。
   • 半双工（Half-Duplex）：双向交替传输（如RS-485）。
   • 全双工（Full-Duplex）：双向同时传输（如UART需要两条独立数据线）。

关键优势与挑战

• 优势：
  • 线路成本低（减少线缆数量），适合长距离通信（如RS-232可达15米）。
  • 抗干扰能力强（尤其差分信号）。
• 挑战：
  • 时序精度要求高：收发方波特率偏差会导致数据错位。
  • 需协议约定：帧格式、波特率、校验方式等必须预先一致。

应用实例

• UART：设备间点对点通信（如单片机与PC串口）。
• USB：通过复杂协议实现高速串行数据传输。
• RS-232/RS-485：工业控制的长距离通信标准。
• I²C、SPI：板级设备同步串行通信。

? 总结：串行通信以时间换空间，牺牲传输速度（相比并行）换取更简化的硬件连接和抗干扰能力，是现代数字通信的基础技术之一。其可靠性依赖于严格的时序控制和标准化的数据帧协议。