引言

操作系统本身作为一个运行在保护内存空间的软件，并不直接感知物理电信号。因此，它必须借助总线、接口与协议这三者来共同构建一个稳定、统一的硬件抽象层。

  • 通信接口（硬件，物理）

  1. 物理特性：连接器的形状、尺寸、引脚数量、引脚排列。

  2. 电气特性：代表数字0和1的电压水平是多少、信号的传输速率（波特率）、阻抗匹配等。

  3. 功能特性：引脚作用（数据线，时钟线，电源线，地线）。

  • 通信协议（逻辑，软件）

  1. 数据帧格式：通常包括起始位、地址域、控制域、数据域、校验位（CRC）、停止位。

  2. 通信时序：什么时候可以开始发送数据？发送方和接收方如何同步？是否需要时钟信号？（同步 vs 异步）

  3. 握手与应答：双方确认数据已成功接收；

  4. 寻址机制：多个设备通信时找到目标设备；

  5. 错误检测与纠正：发现传输过程中的错误（如奇偶校验、CRC校验）。

  • 总线（共享的通信路径）

  1. 共享性：多个设备挂接在同一组信号线上，通过仲裁来分时使用这条通道。

  2. 拓扑结构：通常是多对多的结构（如一条总线连接一个主设备和多个从设备）。

  3. 标准化：涵盖了机械接口、电气特性、信号时序、通信协议等所有方面。

1. USART（通用同步/异步收发器）

串行通信为通用同步/异步收发器接口（Universal Synchronous/Asynchronous Receiver/Transmitter，USART），同时支持同步单向数据通信和半双工单线通信（单线模式）。如下图则是PC与微处理器之间通过USART进行数据交换和通信。

串行通信过程

简单来说，USART的物理层就是两个通信线（接收和发送）双方约定好通信的速度，也就是波特率 Baud Rate，单位为bps（bit per second，bps）。

USART 的通信协议

USART发送和接收数据的流程图
  • 关键时序特征
  1. 波特率：串口通信的速率，异步通讯中由于没有时钟信号，所以两个通讯设备之间应该约定好波特率。
  2. 起始位：标志一个内容帧的开始，固定为低电平，串口的空闲状态位高电平。
  3. 数据位：数据帧的有效载荷，1为高电平，0为低电平，低位先行。
  4. 校验位：用于数据验证，根据数据位计算得来。
  5. 停止位：用于数据帧间隔，固定为高电平，为下一个起始位做准备。
信号时序图

USART 缺点

  • 不能远距离传输信号（发展出 RS232，RS485）

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UART本身定义的是“逻辑电平”，而不是“物理电平”。

  1. 电压衰减：TTL电平的电压较低（5V），在长距离传输时，导线电阻和干扰会导致信号电压衰减，接收端可能无法正确识别0和1。
  2. 抗干扰能力差：TTL是单端信号（一根信号线，以地线为参考）。长距离布线就像一根天线，会引入大量的外部电磁干扰。这些干扰会叠加在信号上，严重扭曲波形。
  3. 地电位差：在长距离通信中，发送端和接收端的“地”可能不在同一个电位上（存在地电位差）。这个电压差会直接导致信号判决错误。
  • 较慢的通信速度（发展出SPI）

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UART是异步通信，且依赖于精确的预定义波特率。

  1. 时钟累积误差：发送器和接收器使用各自独立的内部时钟。即使初始波特率设置相同，晶体振荡器的微小误差也会随着时间（随着每个比特的传输）而累积。这限制了单个数据帧不能太长（通常是8-10位），否则会因为时钟不同步而采样到错误的比特。
  2. 起始位同步的精度：接收端仅在每个字节的起始位边沿进行一次同步，之后的所有比特都基于这个初始同步和预定的波特率进行采样。如果波特率有偏差，在帧的末尾采样点就可能偏离比特中心，导致误码。这从根本上限制了其最高速率。
  3. 开销：每个字节都需要额外的起始位和停止位（至少2位开销），有效数据吞吐量降低。
  • 不能一对多通信（发展出I2C）

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UART的通信模型是点对点的，没有寻址机制。

  • 点对点模型：一个UART端口通常只能直接连接另一个UART端口。TX对RX，RX对TX。如果要将一个主设备连接到多个从设备，你需要为每个从设备配备一个独立的UART端口，这非常浪费硬件资源。
  • 没有地址概念：UART发送的数据就是纯数据流，数据帧里不包含任何地址信息。接收端无法判断这个数据是不是发给自己的。

2. RS232 和 RS485

这些协议在UART的上层，定义了更强大、更适合远距离的物理层标准。UART负责组帧（起始位、数据位、停止位），RS232/RS485负责将TTL电平转换成更适合传输的电平。