串口是串行接口（serial port）的簡(jiǎn)稱(chēng)，也稱(chēng)為串行通信接口或COM接口。

　　串口通信是指采用串行通信協(xié)議（serial communication）在一條信號線(xiàn)上將數據一個(gè)比特一個(gè)比特地逐位進(jìn)行傳輸的通信模式。

　　串口按電氣標準及協(xié)議來(lái)劃分，包括RS-232-C、RS-422、RS485等。

1.串行通信

　　在串行通信中，數據在1位寬的單條線(xiàn)路上進(jìn)行傳輸，一個(gè)字節的數據要分為8次，由低位到高位按順序一位一位的進(jìn)行傳送。

　　串行通信的數據是逐位傳輸的，發(fā)送方發(fā)送的每一位都具有固定的時(shí)間間隔，這就要求接收方也要按照發(fā)送方同樣的時(shí)間間隔來(lái)接收每一位。不僅如此，接收方還必須能夠確定一個(gè)信息組的開(kāi)始和結束。

　　常用的兩種基本串行通信方式包括同步通信和異步通信。

1.1串行同步通信

　　同步通信（SYNC:synchronous data communication）是指在約定的通信速率下，發(fā)送端和接收端的時(shí)鐘信號頻率和相位始終保持一致（同步），這樣就保證了通信雙方在發(fā)送和接收數據時(shí)具有完全一致的定時(shí)關(guān)系。

　　同步通信把許多字符組成一個(gè)信息組（信息幀），每幀的開(kāi)始用同步字符來(lái)指示，一次通信只傳送一幀信息。在傳輸數據的同時(shí)還需要傳輸時(shí)鐘信號，以便接收方可以用時(shí)針信號來(lái)確定每個(gè)信息位。

　　同步通信的優(yōu)點(diǎn)是傳送信息的位數幾乎不受限制，一次通信傳輸的數據有幾十到幾千個(gè)字節，通信效率較高。同步通信的缺點(diǎn)是要求在通信中始終保持精確的同步時(shí)鐘，即發(fā)送時(shí)鐘和接收時(shí)鐘要嚴格的同步（常用的做法是兩個(gè)設備使用同一個(gè)時(shí)鐘源）。

　　在后續的串口通信與編程中將只討論異步通信方式，所以在這里就不對同步通信做過(guò)多的贅述了。

1.2串行異步通信

　　異步通信（ASYNC:asynchronous data communication），又稱(chēng)為起止式異步通信，是以字符為單位進(jìn)行傳輸的，字符之間沒(méi)有固定的時(shí)間間隔要求，而每個(gè)字符中的各位則以固定的時(shí)間傳送。

　　在異步通信中，收發(fā)雙方取得同步是通過(guò)在字符格式中設置起始位和停止位的方法來(lái)實(shí)現的。具體來(lái)說(shuō)就是，在一個(gè)有效字符正式發(fā)送之前，發(fā)送器先發(fā)送一個(gè)起始位，然后發(fā)送有效字符位，在字符結束時(shí)再發(fā)送一個(gè)停止位，起始位至停止位構成一幀。停止位至下一個(gè)起始位之間是不定長(cháng)的空閑位，并且規定起始位為低電平（邏輯值為0），停止位和空閑位都是高電平（邏輯值為1），這樣就保證了起始位開(kāi)始處一定會(huì )有一個(gè)下跳沿，由此就可以標志一個(gè)字符傳輸的起始。而根據起始位和停止位也就很容易的實(shí)現了字符的界定和同步。

　　顯然，采用異步通信時(shí)，發(fā)送端和接收端可以由各自的時(shí)鐘來(lái)控制數據的發(fā)送和接收，這兩個(gè)時(shí)鐘源彼此獨立，可以互不同步。

　　下面簡(jiǎn)單的說(shuō)說(shuō)異步通信的數據發(fā)送和接收過(guò)程。

1.2.1異步通信的數據格式

　　在介紹異步通信的數據發(fā)送和接收過(guò)程之前，有必要先弄清楚異步通信的數據格式。

　　異步通信規定傳輸的數據格式由起始位（start bit）、數據位（data bit）、奇偶校驗位（parity bit）和停止位（stop bit）組成，如圖1所示（該圖中未畫(huà)出奇偶校驗位，因為奇偶檢驗位不是必須有的，如果有奇偶檢驗位，則奇偶檢驗位應該在數據位之后，停止位之前）。

圖1 異步通信數據格式

　?。?）起始位：起始位必須是持續一個(gè)比特時(shí)間的邏輯0電平，標志傳輸一個(gè)字符的開(kāi)始，接收方可用起始位使自己的接收時(shí)鐘與發(fā)送方的數據同步。

　?。?）數據位：數據位緊跟在起始位之后，是通信中的真正有效信息。數據位的位數可以由通信雙方共同約定，一般可以是5位、7位或8位，標準的ASCII碼是0~127（7位），擴展的ASCII碼是0~255（8位）。傳輸數據時(shí)先傳送字符的低位，后傳送字符的高位。

　?。?）奇偶校驗位：奇偶校驗位僅占一位，用于進(jìn)行奇校驗或偶校驗，奇偶檢驗位不是必須有的。如果是奇校驗，需要保證傳輸的數據總共有奇數個(gè)邏輯高位；如果是偶校驗，需要保證傳輸的數據總共有偶數個(gè)邏輯高位。

　　舉例來(lái)說(shuō)，假設傳輸的數據位為01001100，如果是奇校驗，則奇校驗位為0（要確?？偣灿衅鏀祩€(gè)1），如果是偶校驗，則偶校驗位為1（要確?？偣灿信紨祩€(gè)1）。

　　由此可見(jiàn)，奇偶校驗位僅是對數據進(jìn)行簡(jiǎn)單的置邏輯高位或邏輯低位，不會(huì )對數據進(jìn)行實(shí)質(zhì)的判斷，這樣做的好處是接收設備能夠知道一個(gè)位的狀態(tài)，有可能判斷是否有噪聲干擾了通信以及傳輸的數據是否同步。

　?。?）停止位：停止位可以是是1位、1.5位或2位，可以由軟件設定。它一定是邏輯1電平，標志著(zhù)傳輸一個(gè)字符的結束。

　?。?）空閑位：空閑位是指從一個(gè)字符的停止位結束到下一個(gè)字符的起始位開(kāi)始，表示線(xiàn)路處于空閑狀態(tài)，必須由高電平來(lái)填充。

1.2.2異步通信的數據發(fā)送過(guò)程

　　清楚了異步通信的數據格式之后，就可以按照指定的數據格式發(fā)送數據了，發(fā)送數據的具體步驟如下：

　?。?）初始化后或者沒(méi)有數據需要發(fā)送時(shí)，發(fā)送端輸出邏輯1，可以有任意數量的空閑位。

　?。?）當需要發(fā)送數據時(shí)，發(fā)送端首先輸出邏輯0，作為起始位。

　?。?）接著(zhù)就可以開(kāi)始輸出數據位了，發(fā)送端首先輸出數據的最低位D0，然后是D1，最后是數據的最高位。

　?。?）如果設有奇偶檢驗位，發(fā)送端輸出檢驗位。

　?。?）最后，發(fā)送端輸出停止位（邏輯1）。

　?。?）如果沒(méi)有信息需要發(fā)送，發(fā)送端輸出邏輯1（空閑位），如果有信息需要發(fā)送，則轉入步驟（2）。

1.2.3異步通信的數據接收過(guò)程

　　在異步通信中，接收端以接收時(shí)鐘和波特率因子決定每一位的時(shí)間長(cháng)度。下面以波特率因子等于16（接收時(shí)鐘每16個(gè)時(shí)鐘周期使接收移位寄存器移位一次）為例來(lái)說(shuō)明。

　?。?）開(kāi)始通信，信號線(xiàn)為空閑（邏輯1），當檢測到由1到0的跳變時(shí)，開(kāi)始對接收時(shí)鐘計數。

　?。?）當計到8個(gè)時(shí)鐘的時(shí)候，對輸入信號進(jìn)行檢測，若仍然為低電平，則確認這是起始位，而不是干擾信號。

　?。?）接收端檢測到起始位后，隔16個(gè)接收時(shí)鐘對輸入信號檢測一次，把對應的值作為D0位數據。

　?。?）再隔16個(gè)接收時(shí)鐘，對輸入信號檢測一次，把對應的值作為D1位數據，直到全部數據位都輸入。

　?。?）檢驗奇偶檢驗位。

　?。?）接收到規定的數據位個(gè)數和校驗位之后，通信接口電路希望收到停止位（邏輯1），若此時(shí)未收到邏輯1，說(shuō)明出現了錯誤，在狀態(tài)寄存器中置“幀錯誤”標志；若沒(méi)有錯誤，對全部數據位進(jìn)行奇偶校驗，無(wú)校驗錯時(shí)，把數據位從移位寄存器中取出送至數據輸入寄存器，若校驗錯，在狀態(tài)寄存器中置“奇偶錯”標志。

　?。?）本幀信息全部接收完，把線(xiàn)路上出現的高電平作為空閑位。

　?。?）當信號再次變?yōu)榈蜁r(shí)，開(kāi)始進(jìn)入下一幀的檢測。

　　以上就是異步通信中數據發(fā)送和接收的全過(guò)程了。

1.3幾個(gè)概念

　　為了更好的理解串口通信，我們還需要了解幾個(gè)串口通信當中的基本概念。

　?。?）發(fā)送時(shí)鐘：發(fā)送數據時(shí)，首先將要發(fā)送的數據送入移位寄存器，然后在發(fā)送時(shí)鐘的控制下，將該并行數據逐位移位輸出。

　?。?）接收時(shí)鐘：在接收串行數據時(shí)，接收時(shí)鐘的上升沿對接收數據采樣，進(jìn)行數據位檢測，并將其移入接收器的移位寄存器中，最后組成并行數據輸出。

　?。?）波特率因子：波特率因子是指發(fā)送或接收1個(gè)數據位所需要的時(shí)鐘脈沖個(gè)數。

2.串口接頭

　　常用的串口接頭有兩種，一種是9針串口（簡(jiǎn)稱(chēng)DB-9），一種是25針串口（簡(jiǎn)稱(chēng)DB-25）。每種接頭都有公頭和母頭之分，其中帶針狀的接頭是公頭，而帶孔狀的接頭是母頭。9針串口的外觀(guān)如圖2所示。

圖2 DB-9外觀(guān)圖

　　由圖2可以看出，在9針串口接頭中，公頭和母頭的管腳定義順序是不一樣，這一點(diǎn)需要特別注意。那么，這些管腳都有什么作用呢？9針串口和25針串口常用管腳的功能說(shuō)明如圖3所示。

圖3 9針串口和25針串口常用管腳功能說(shuō)明

3.RS-232C標準

　　常用的串行通信接口標準有RS-232C、RS-422、RS-423和RS-485。其中，RS-232C作為串行通信接口的電氣標準定義了數據終端設備（DTE:data terminal equipment）和數據通信設備（DCE:data communication equipment）間按位串行傳輸的接口信息，合理安排了接口的電氣信號和機械要求，在世界范圍內得到了廣泛的應用。

3.1電氣特性

　　RS-232C對電器特性、邏輯電平和各種信號功能都做了規定，如下：

　　在TXD和RXD數據線(xiàn)上：

　?。?）邏輯1為-3~-15V的電壓

　?。?）邏輯0為3~15V的電壓

　　在RTS、CTS、DSR、DTR和DCD等控制線(xiàn)上：

　?。?）信號有效（ON狀態(tài)）為3~15V的電壓

　?。?）信號無(wú)效（OFF狀態(tài)）為-3~-15V的電壓

　　由此可見(jiàn)，RS-232C是用正負電壓來(lái)表示邏輯狀態(tài)，與晶體管-晶體管邏輯集成電路（TTL）以高低電平表示邏輯狀態(tài)的規定正好相反。

3.2信號線(xiàn)分配

　　RS-232C標準接口有25條線(xiàn)，其中，4條數據線(xiàn)、11條控制線(xiàn)、3條定時(shí)線(xiàn)以及7條備用和未定義線(xiàn)。那么，這些信號線(xiàn)在9針串口和25針串口的管腳上是如何分配的呢？9針串口和25針串口信號線(xiàn)分配如圖4所示。

圖4 9針串口和25針串口信號線(xiàn)分配示意圖

　　下面對這些信號線(xiàn)做個(gè)簡(jiǎn)單的介紹。

　?。?）數據裝置準備好（DSR），有效狀態(tài)（ON）表示數據通信設備處于可以使用狀態(tài)。

　?。?）數據終端準備好（DTR），有效狀態(tài)（ON）表示數據終端設備處于可以使用狀態(tài)。

　　這兩個(gè)設備狀態(tài)信號有效，只表示設備本身可用，并不說(shuō)明通信鏈路可以開(kāi)始進(jìn)行通信了，能否開(kāi)始進(jìn)行通信要由下面的一些控制信號決定。

　?。?）請求發(fā)送（RTS），用來(lái)表示數據終端設備（DTE）請求數據通信設備（DCE）發(fā)送數據。

　?。?）允許發(fā)送（CTS），用來(lái)表示數據通信設備（DCE）已經(jīng)準備好了數據，可以向數據終端設備（DTE）發(fā)送數據，是對請求發(fā)送信號RTS的響應。

　　請求發(fā)送（RTS）和允許發(fā)送（CTS）用于半雙工的通信系統中，在全雙工的系統中，不需要使用請求發(fā)送（RTS）和允許發(fā)送（CTS）信號，直接將其置為ON即可。

　?。?）數據載波檢出（DCD），用于表示數據通信設備（DCE）已接通通信鏈路，告知數據終端設備（DTE）準備接收數據。

　?。?）振鈴指示（RI），當數據通信設備收到交換臺送來(lái)的振鈴呼叫信號時(shí)，使該信號有效（ON），通知終端，已被呼叫。

　?。?）發(fā)送數據（TXD），數據終端設備（DTE）通過(guò)該信號線(xiàn)將串行數據發(fā)送到數據通信設備（DCE）。

　?。?）接收信號（RXD），數據終端設備（DTE）通過(guò)該信號線(xiàn)接收從數據通信設備（DCE）發(fā)來(lái)的串行數據。

　?。?）地線(xiàn)（SG、PG），分別表示信號地和保護地信號線(xiàn)。