UART串口
通信可分为并行通信和串行通信
1. 并行通信
核心原理
同时使用多条物理线路传输数据的多个比特（通常8位、16位或32位）。
示例：
8位并行通信 = 8条数据线同时传输1字节（8比特）。
特点
| 特性 | 说明 |
|---|---|
| 传输速度 | 理论速度高（多条线路并发） |
| 硬件复杂度 | 高（需多条数据线 + 控制线） |
| 抗干扰能力 | 弱（信号同步要求高，长距离易失真） |
| 成本 | 高（线缆/接口更复杂） |
| 典型应用 | 短距离高速传输： • 内存总线（DDR） • 早期打印机（LPT接口） • FPGA片内通信 |
关键问题
时钟偏移 (Skew)：
长距离传输时，各线路信号延迟不同，导致数据无法同时到达。电磁干扰 (EMI)：
多线并行产生交叉干扰，限制频率提升。
2. 串行通信
核心原理
通过单条线路逐比特顺序传输数据。
示例：
传输1字节（8比特）需连续发送8个时钟周期。
特点
| 特性 | 说明 |
|---|---|
| 传输速度 | 单线速度低，但可通过高频率补偿（现代串行协议远超并行） |
| 硬件复杂度 | 低（仅需1-2条数据线 + 时钟/控制线） |
| 抗干扰能力 | 强（差分信号技术可抗干扰，适合长距离） |
| 成本 | 低（线缆/接口简化） |
| 典型应用 | 长短距离通用： • USB/PCIe/SATA • 以太网 • UART（串口） • I²C/SPI |
技术优势
差分信号 (LVDS)：
如USB、以太网使用D+/D-双线抵消共模噪声。内嵌时钟：
如PCIe使用8b/10b编码将时钟信号融入数据流。拓扑灵活：
支持点对点（SATA）、总线（I²C）、环状（Token Ring）等结构。
3. 核心区别总结
| 维度 | 并行通信 | 串行通信 |
|---|---|---|
| 数据线数量 | 多条（如8/16/32线） | 1条（单端）或2条（差分） |
| 传输方式 | 多比特同时传输 | 单比特顺序传输 |
| 速度瓶颈 | 时钟偏移和干扰限制高频 | 可提升频率至GHz级 |
| 传输距离 | 短（通常＜0.5米） | 长（USB可达5米，以太网100米） |
| 现代应用 | 逐渐被取代（除片内总线外） | 主流（USB4/PCIe 5.0/Thunderbolt） |
异步：UART/USART
同步：I²C, SPI, USB, PCIe, SATA, Ethernet，CAN
平常经常说的串口，其实是串行通信中的UART接口标准（协议）
同步通信和异步通信
同步通信 (Synchronous Communication)
核心原理
收发双方使用同一时钟信号（由主设备或独立时钟源提供），在时钟边沿（上升沿/下降沿）触发数据采样，实现精确同步。
关键特征：
必须有时钟线（如SCK、CLK）
数据以连续数据块传输（无需起止位）
时钟频率决定传输速率
典型协议
| 协议 | 时钟线 | 数据线 | 特点 |
|---|---|---|---|
| SPI | SCK | MOSI, MISO | 全双工，高速（可达100MHz+） |
| I²C | SCL | SDA（双向） | 半双工，地址寻址，多主从 |
| SDIO | CLK | CMD, DAT0-3 | 存储卡扩展协议 |
| PCIe | RefClk | 内嵌于数据流 | 高速差分串行，时钟恢复技术 |
优势
速度高：无冗余起止位，传输效率＞95%
实时性强：时钟严格同步，适合高速场景（如传感器实时采集）
错误率低：时钟边沿采样抗干扰强
缺点
需额外时钟线（增加布线复杂度）
通信距离受限（时钟信号长距离易失真）
异步通信 (Asynchronous Communication)
核心原理
无共享时钟，收发双方依赖预定义的波特率（Baud Rate） 和数据帧格式实现自同步。
关键特征：
无需时钟线
每字节数据添加起止位（Start/Stop Bits）
波特率偏差须＜2%
| 协议 | 电气标准 | 应用场景 |
|---|---|---|
| UART | TTL/RS-232 | 单片机调试，模块通信 |
| RS-485 | 差分信号 | 工业总线（Modbus） |
| USB 1.x | 异步传输模式 | 早期USB设备 |
优势
布线简单：仅需1-2条数据线（如TX/RX）
距离灵活：RS-485可达千米级
容错性强：起始位重新同步机制
缺点
效率低：起止位占20-30%开销（如8N1格式效率80%）
速率限制：波特率通常＜10Mbps（高速需过采样）
串口UART几种电气协议
TTL是全双工
TTL (Transistor-Transistor Logic)
核心特征
电平范围：
逻辑 1 (High)：+3.3V 或 +5V（取决于供电电压）
逻辑 0 (Low)：0V (GND)
通信方式：全双工（需独立 TX/RX 线）
拓扑结构：点对点（1:1）
传输距离：短距离（通常 ≤ 0.5 米）
典型应用场景
单片机开发板（如 Arduino、STM32）的 UART 引脚
板级芯片间通信（如 MCU 连接传感器）
USB转TTL模块（如 CH340、CP2102）
优点与局限
| 优点 | 局限 |
|---|---|
| 简单易用，无需复杂转换 | 抗干扰能力弱（单端信号） |
| 低功耗（直接匹配数字IC电平） | 传输距离短 |
| 成本低（无需电平转换芯片） | 不支持多设备共享总线 |
⚠️ 关键风险：TTL 与 RS-232 直接连接会烧毁芯片！（电压不兼容）
RS-232 (Recommended Standard 232)
核心特征
电平范围：
逻辑 1 (High)：-3V ~ -15V（负电压）
逻辑 0 (Low)：+3V ~ +15V（正电压）
通信方式：全双工（独立 TX/RX 线）
拓扑结构：点对点（1:1）
传输距离：中距离（≤ 15 米，波特率≤20kbps）
典型应用场景
老式计算机串口（DB9 接口）
工业设备配置口（如路由器、交换机 Console 口）
短距离工控设备通信
优点与局限
| 优点 | 局限 |
|---|---|
| 抗干扰强于 TTL（高电压摆幅） | 速度低（通常 ≤ 115.2kbps） |
| 支持较长距离传输 | 需专用电平转换芯片（如 MAX232） |
| 广泛兼容旧设备 | 不支持多设备总线 |
常用于和PC机通信
RS-485 (Recommended Standard 485)
核心特征
电平范围：
逻辑 1：B-A > +200mV（差分正电压）
逻辑 0：B-A < -200mV（差分负电压）
通信方式：半双工（单对差分线）或 全双工（两对差分线）
拓扑结构：多点总线（1:N，最多 32 设备）
传输距离：长距离（≤ 1200 米，波特率≤100kbps）
典型应用场景
工业自动化总线（如 Modbus RTU）
楼宇安防系统（门禁、传感器网络）
远距离数据采集（电力监控、环境监测）
硬件特性
差分信号：
使用双绞线传输A+/B-信号，通过电压差抵消共模噪声。终端电阻：
总线两端需接 120Ω 电阻匹配阻抗，防止信号反射。
优点与局限
| 优点 | 局限 |
|---|---|
| 超强抗干扰（工业EMC环境） | 需手动控制收发使能（半双工） |
| 支持多设备组网（总线拓扑） | 协议需地址寻址（如 Modbus） |
| 长距离传输（千米级） | 布线需终端电阻 |
三者的核心对比表
| 特性 | TTL | RS-232 | RS-485 |
|---|---|---|---|
| 电平类型 | 单端数字电平 | 单端高压 (±3-15V) | 差分电压 (A/B线) |
| 逻辑表示 | 1=+3.3V/5V, 0=0V | 1=-3~-15V, 0=+3~+15V | 1=B-A>+200mV, 0=B-A<-200mV |
| 传输距离 | ≤ 0.5m | ≤ 15m | ≤ 1200m |
| 拓扑结构 | 点对点 (1:1) | 点对点 (1:1) | 多点总线 (1:N) |
| 通信模式 | 全双工 | 全双工 | 半双工/全双工 |
| 抗干扰能力 | 弱 | 中 | 极强（差分抗噪） |
| 最大速率 | 10Mbps+ | 115.2kbps | 10Mbps（短距离） |
| 典型转换芯片 | 无需 | MAX232, SP3232 | MAX485, SN65HVD72 |
4. 互联转换方案
(1) TTL ↔ RS-232
必备芯片：电平转换器（如 MAX232）
电路原理：
MAX232 内部集成电荷泵，将 TTL 的 0V/5V 转换为 RS-232 的 ±10V。
(2) TTL ↔ RS-485
必备芯片：RS-485 收发器（如 MAX485）
关键控制：
半双工模式下需 RE/DE 引脚控制收发方向（RE=接收使能, DE=发送使能）。
(3) RS-232 ↔ RS-485
转换器结构：
RS-232 → TTL → RS-485（两级转换）工业方案：
专用隔离转换模块（如 ADM2483 带光耦隔离）。
5. 协议与电气标准的关系
UART 是协议层：定义数据帧格式（起止位、数据位、校验位）。
TTL/RS-232/RS-485 是物理层：定义如何用电压表示 UART 的 0 和 1。
✅ 重要结论：
同一 UART 数据可通过不同物理层传输（例如：MCU 的 TTL-UART → MAX485 → RS-485 总线）。
6. 选型指南
| 场景 | 推荐标准 | 理由 |
|---|---|---|
| 板级芯片间通信 | TTL | 简单直接，无需转换 |
| 设备调试口（短距离） | RS-232 | 兼容旧设备，抗干扰优于 TTL |
| 工厂传感器网络（长距离多节点） | RS-485 | 抗干扰+多设备+远距离 |
| 高速数据传输（如视频流） | 非三者（用LVDS/USB） | TTL/RS 速率不足 |
经典问题解答
Q1：为什么 RS-232 用负电压表示逻辑 1？
A：历史设计（1960年代），高电压摆幅（±15V）抗干扰更强，且负电压可区分线路断开（0V）与逻辑 1。
Q2：RS-485 如何避免总线冲突？
A：半双工模式下需软件协议控制（如 Modbus 的主从轮询），发送前检测总线空闲（监听-发送机制）。
Q3：TTL 与 CMOS 电平的区别？
A：CMOS 电平范围更宽（逻辑 1 ≈ Vcc，逻辑 0 ≈ 0V），但现代系统中常统称 “TTL电平”（实际多为 CMOS 兼容）。