一文看懂串口协议

[导读]前言好久没更新文章了，这篇文章写写停停，用了近一周的时间，终于写完了，谢谢大家的关注。本篇文章介绍，串口协议数据帧格式、串行通信的工作方式、电平标准、编码方式及Verilog实现串口发送一个字节数据和接收一个字节数据。对于MCU串口的发送接收，可能就是1行代码就能实现串口的发送和...

前言

好久没更新文章了，这篇文章写写停停，用了近一周的时间，终于写完了，谢谢大家的关注。本篇文章介绍，串口协议数据帧格式、串行通信的工作方式、电平标准、编码方式及Verilog实现串口发送一个字节数据和接收一个字节数据。

对于MCU串口的发送接收，可能就是1行代码就能实现串口的发送和接收：

STM32的串口接收和发送

//STM32发送1个字节
USART_SendData(USART1, 'A');
while (USART_GetFlagStatus(DEBUG_USARTx, USART_FLAG_TXE) == RESET);
//STM32接收1个字节：
uint8_t Res;
while (USART_GetFlagStatus(USART1, USART_FLAG_RXNE) == RESET);
Res = USART_ReceiveData(USART1);

51单片机的发送和接收

//51单片机发送1个字节
SBUF = 'A;
while(!TI);
TI=0;
//51单片机接收1个字节：
char Res;
if(RI)
{
Res = SBUF;
RI = 0;
}

更方便一点的，通过重写C库fput函数和fgetc函数，还可以实现printf直接重定向到串口，用来输出一些调试信息再方便不过了。

STM32实现输入输出重定向到串口发送接收

//可重定向printf函数
int fputc(int ch, FILE *f)
{
USART_SendData(DEBUG_USARTx, (uint8_t) ch);
while (USART_GetFlagStatus(DEBUG_USARTx, USART_FLAG_TXE) == RESET);
return (ch);
}
//可重定向scanf函数
int fgetc(FILE *f)
{
while (USART_GetFlagStatus(DEBUG_USARTx, USART_FLAG_RXNE) == RESET);
return (int)USART_ReceiveData(DEBUG_USARTx);
}

而MCU上的串口是半导体厂商预先设计好的，几乎是MCU的标配，高度集成，使用起来十分方便，但是串口的引脚基本上是固定的，不可以更改。对于硬件橡皮泥——FPGA来说，需要使用HDL从底层串口数据帧来实现，可以直接在任意一个引脚实现串口功能。为了用Verilog HDL实现标准的串口通讯协议，我们有必要先来详细了解一下串口通讯协议。

串口数据帧格式

波特率

波特率，即比特率（Baud rate），即通信双方“沟通的语言”，通信双方要设置为一样的波特率才可以正常通信。表示每秒发送的二进制位数，即传输1位的时间是：1/波特率秒，如，波特率9600bps，即每秒传输9600bit，那么每一位的时间为：1/9600 s = 104.1666us，常用的波特率有：4800/9600/115200/12800等等，也可以根据需要自定义波特率大小，如1M或者3M，但是有的PC或者USB-TTL模块不支持太高速度的波特率，常用的USB-TTL芯片有：CH340，CP2102，PL2103，FT232等，其中FT232HL芯片最大支持12M的波特率，当然价格也比其他芯片高一些。

起始位和停止位

数据帧从起始位开始，到停止位结束。起始信号用逻辑0表示，而停止位是用逻辑1表示，一般有0.5位、1位、1.5位或2位停止位，常用的一般是1位停止位，只要通信双方约定一致即可。

数据位

起始位之后，紧跟着的是数据位，低位（LSB）在前，高位（MSB）在后，一般有5位、6位、7位和8位数据位，常用的是8位数据位，因为一个字节正好是8位。

校验位

校验位一般用来判断接收的数据位有无错误，校验方法有：奇校验（odd）、偶校验（even）、0校验（space）、1校验（mark）及无校验（noparity）。奇校验要求有效数据和校验位中“1”的个数为奇数，比如一个8位长的有效数据为：01101001，此时共有4个“1”，为达到奇数个"1"的效果，校验位为“1”，让“1”的个数变成5个（奇数）。偶校验刚好相反，要求有效数据和校验位的“1”数量为偶数，则此时为达到偶校验效果，校验位为“0”。而0校验，即校验位总是为“0”，1校验校验位总是为“1”。奇偶校验逻辑相反，01校验逻辑相反。一般是奇偶校验或者是无校验位。

奇偶校验的Verilog实现

在Verilog中奇偶校验的计算非常简单，根据奇偶校验的原理，偶校验为数据位各位异或，奇校验是偶校验取反，通过使用单目运算符的缩减功能，可以非常简单的计算奇偶校验位：

input [7:0] data_in, //需要发送的8位数据
wire even_bit; //偶校验位 = 各位异或
wire odd_bit; //奇校验位 = ~偶校验位
assign even_bit = ^data_in; //一元约简运算符，等效于data_in[0] ^ data_in[1] ^ .....
assign odd_bit = ~even_bit;
wire POLARITY_BIT = even_bit; //偶校验

关于波特率允许的误差

经过我的实际测试，波特率是有一定的容错范围的，例如，STM32配置成115200波特率，每10ms发送一个30字节的字符串，串口芯片用的CH340，上位机波特率设置成113000-121000也可以接收，无乱码，差不多正负2000的波特率，这容错范围也太大了，当然如果发送频率太快，数据量太大，误码率肯定会大大增加，所以还是建议通信双方使用同样的波特率以减少误差。