先看一下一些基础概念

基础概念

串行通信概念

数据位一个bit一个一个传输
串行通信采用单根数据线逐位传输数据。其优势在于布线简单、成本低、抗干扰能力强，尤其适合远距离通信，但传输速率相对较低。

并行通信概念

bit位同时并行传输
并行通信通过多根数据线同时传输多位数据。其主要优点是传输速率高，但需要较多的数据线和硬件支持，成本较高，且因信号间干扰问题，通常不适用于长距离传输。

使用串行通信的一些技术有
uart,i2c,spi,can
常见的串行通信接口包括：UART、USART、I2C、SPI、RS-232、RS-485等。它们各自具有不同的特性和适用场景，例如I2C和SPI适用于板内芯片间通信，而RS-485则支持更远距离的多设备通信。

同步通信和异步通信概念

同步通信需要时钟信号,异步通信不需要时钟信号

比如uart是异步通信,双方设备各自使用自己的时钟，只需要tx,rx来交换数据就可以了，双方根据自己内部的时钟进行数据采样，不需要统一的一条时钟线来规定双方的收发节奏，实际上双方约定的波特率是一条虚拟的时钟线
但是对于i2c协议，则需要一个实际存在的scl时钟线来规定双方数据收发节奏

单工和双工概念

单工通信
方向单向，一方发一方收，数据只能单向传输，如广播。

双工通信
分为半双工和全双工，区别在于在发送的同时能不能同时收
半双工 双方可以互相通信，但不能同时进行（如对讲机）
全双工：双方可同时进行双向数据传输（如电话通话）。

波特率和比特率

比特率 每秒钟传输的二进制位数，单位为比特每秒(bit/s)。

波特率 每秒钟传输了多少个码元

比特率 = 波特率 × 每个码元所包含的比特数。

码元是通讯信号调制的概念，通讯中常用时间间隔相同的符号来表示一个二进制数字，这样的信号称为码元。

若1个码元代表1个比特（如0V表示0，5V表示1），则波特率与比特率数值相等。
若1个码元代表2个比特（如用不同电压表示00、01、10、11），则比特率是波特率的两倍。

常见的通讯传输中，用 0V 表示数字 0，5V 表示数字 1，那么一个码元可以表示两种状态 0 和 1
如果在通讯传输中，有 0V、2V、4V 以及 6V 分别表示二进制数 00、01、10、11，那么每个码元可以表示四种状态
此时，在相同的比特传输速度下，波特率为比特率的一半，表现为使用了更少的带宽，
而在相同的带宽下，提高了一倍的比特率传输速度

好，基础概念这里就结束了，开始具体介绍三大协议，最后比较他们的不同

串口通信

串口通信是一种通过串行接口进行数据传输的方式，普遍用于短距离、低速率的设备间通信。它涵盖了多种协议和物理标准，如UART、USART、RS-232、RS-485等。

UART通信

UART（通用异步收发器）是一种异步串行通信总线，采用两条数据线实现全双工通信，

UART数据帧

通常包含1个起始位（低电平）、5至8个数据位、可选的校验位以及1或2个停止位（高电平）。帧与帧之间由空闲位（持续高电平）分隔。

举例:发送0x55 二进制:01010101

注意这里的字节顺序，低位先行lsb，所以先发1

校验位

用于检测数据传输过程中的错误，常见模式有：

奇校验 (ODD)：确保数据位与校验位中“1”的总数为奇数。

偶校验 (EVEN)：确保数据位与校验位中“1”的总数为偶数。

1校验 (MARK)：校验位恒为1（逻辑高电平）。

0校验 (SPACE)：校验位恒为0（逻辑低电平）。

无校验 (NONE)：不设置校验位。

注：在某些平台（如部分ARM芯片）中，如需使用校验位，需将字长（word length）设置为9位（1个起始位 + 8个数据位 + 1个校验位）。

如何区分不同数据（如01和0011）？

接收端依靠预先约定并精确同步的波特率来识别每个比特的时长，从而准确解析出起始位、数据位和停止位，进而区分不同的数据内容。

累计误差问题：

由于发送器和接收器使用独立的时钟，即便波特率设置相同，微小的时钟偏差也可能随时间累积导致采样错误。为此，UART通常将单帧数据长度限制在较短范围内（如最多8-9个数据位），通过频繁的起始位重同步来消除累计误差。

UART硬件连接：

UART通常通过TX（发送）和RX（接收）两根线实现交叉互联。配置引脚功能实质上是将芯片内部的物理引脚连接到对应的UART控制器上。

USART

USART（通用同步异步收发器）是UART的功能超集，它不仅支持异步通信，还支持同步通信（需时钟信号）。在实际应用中，异步模式更为常见。其数据帧格式与UART类似。

串口通信是一位一位地传输，每传输一个字符总是以起始位开始，以停止位结束，字符之间没有固定的时间间隔要求。

每一个字节的前面都有一位起始位（低电平），后面由7位或8位数据位组成，接着是一位校验位，最后是停止位

停止位后面是不定长的空闲位，停止位和空闲位都规定为高电平。

串口驱动流程

使用串口的基本流程如下：

使能USART/UART外设时钟。

配置相关引脚复用到串口功能。

初始化串口参数：波特率、数据位长度、停止位数量、校验位、流控制等。

编写发送/接收函数，或通过重定向标准输出（如实现printf）以便利调试。

为何在USART之外还需I2C、SPI等协议？

尽管USART非常通用便利，但其他通信协议针对特定需求提供了更优的解决方案：

I2C：仅需两根线（数据线和时钟线）即可支持多设备组网，极大节省MCU引脚和PCB布线空间，适合连接多个低速外设。

SPI：采用全双工同步通信，速率显著高于UART，且同样支持一对多连接（通过片选信号选择从设备），适合高速数据交换场景。

RS-232 / RS-485：是物理层标准，常与UART联用。它们通过电平转换和差分信号等技术，极大提升了通信距离和抗干扰能力（RS-232可达15米，RS-485可达千米级），适用于工业环境下的长距离通信。

硬件串口发送流程

串口数据发送并非由CPU直接控制引脚电平，而是通过一组专用的寄存器与硬件电路协同完成的。这个过程的核心是两个关键寄存器：数据发送缓存寄存器 和 状态寄存器。
整体的过程为：
软件查询状态 -> 写入数据 -> 硬件自动完成底层时序和电平转换
如果忽略对TXE状态的检查，在上一字节还未从TDR移入移位器时强行写入新数据，就会发生数据覆盖
整个发送流程的核心是围绕状态寄存器的查询或中断来进行的

整个过程涉及到了两个主要的寄存器

1. 核心部件：数据发送缓存寄存器 (TDR - Transmit Data Register)，通常只有1个字节（8位）或1个帧（可能包含9位数据+校验位）的宽度
2. 监控者：状态寄存器 (SR - Status Register) 这是一个只读寄存器，包含了串口外设的各种当前状态标志位。
   TXE (Transmit Register Empty) / TBE (Transmit Buffer Empty)：该标志位为 1 时，表明数据发送缓存寄存器（TDR）是空的，可以接受下一个待发送的数据字节。这是发送新数据的前提条件。

TC (Transmission Complete)：该标志位为 1 时，表明不仅TDR为空，而且移位器也已经发送完了最后一帧数据的最后一个位（包括停止位），整个发送活动彻底完成。这在需要严格时序控制（如关闭硬件流控制）时非常有用。

串口的标志位

串口数据接收的硬件流程

IDLE中断是判断串口数据接收完毕的标志

当检测到RX引脚空闲(高电平)时间超过传输一个字符帧所需的时间时,产生空闲标志IDLE

串口接收流程

串口接收是一个由专用硬件自动完成的过程，软件只需在合适的时机响应硬件产生的事件并读取数据即可。

1. 核心部件：数据接收缓存寄存器 (RDR - Receive Data Register)
   虽然发送和接收功能通常共用同一个内存映射地址（在程序里可能都叫USART_DATA），但在芯片内部物理上，往往存在两个独立的寄存器：一个只写的发送数据寄存器 (TDR) 和一个只读的接收数据寄存器 (RDR)。
   CPU向该地址写数据，数据进入TDR；CPU从该地址读数据，数据来自RDR。

这样设计简化了编程模型，但逻辑上它们是分开的。
当接收电路成功接收到一个完整的数据字节（或帧）后，会将数据存入此寄存器，等待CPU读取。

2. 监控者：状态寄存器 (SR - Status Register)

状态寄存器监控着接收过程，并通过标志位通知CPU。
RXNE (Receive Register Not Empty) / RBNE (Read Buffer Not Empty)：这是最重要的接收标志位。当该位置 1 时，表示接收缓存寄存器 (RDR) 中已经存有新的数据，等待CPU读取。CPU读取RDR后，该标志位会自动清零。

IDLE (Idle Line Detected)：这就是空闲中断标志。当RX检测到持续高电平（空闲状态）的时间超过一整个数据帧（起始位+数据位+校验位+停止位）的传输时间后，此标志位会被硬件置 1。它标志着一包非连续数据的传输结束，

接收移位器自动将串行电平转换为并行数据。
RDR 是接收数据的临时仓库。
状态寄存器 (SR) 通过RXNE标志告诉有数据，通过IDLE标志告诉一包数据发送完毕。
软件（CPU）响应这些通知，及时读数据并处理完整数据包。

RS232、RS485和USART区别与应用