通信协议入门：单片机怎样把一个数字发送出去？
我们每天都在说“发送一个字节”，但导线上并没有一个叫“字节”的东西在奔跑。导线上真正存在的，只是随时间变化的电压。
UART、I²C、SPI、CAN 看起来各不相同，但它们都在解决同一件事：
发送端怎样把信息变成物理信号，接收端又怎样从物理信号中还原信息。
这一篇不要求你有任何电路基础。我们只从一个数字开始，完整走完它从程序到导线、再从导线回到程序的过程。
读完以后，你应该能够回答三个问题：
- 数字、二进制、数据帧和电平是什么关系？
- 发送端和接收端必须提前约定哪些规则？
- 拿到一张时序图，应该从哪里开始看？
一、我们要发送的，到底是什么？
假设程序要发送字符A。
计算机不会直接保存“A 的形状”，而是按照字符编码表，把它保存成一个数字。在 ASCII 编码中：
| 表达方式 | 值 | 用途 |
|---|---|---|
| 字符 | A | 人容易理解 |
| 十进制 | 65 | 普通数字写法 |
| 十六进制 | 0x41 | 程序和调试工具常用 |
| 二进制 | 0100 0001 | 8 个数据位 |
这四种写法描述的是同一个数。
需要注意的是，0x41只有在程序按照 ASCII 解释时才代表字符A。它也可以代表温度 65 ℃、设备状态 65，或者某条命令的参数。
导线不知道 0x41 是什么。数据的含义来自通信双方共同遵守的约定。
二、二进制的书写顺序，不等于线上的发送顺序
我们通常把0x41写成：
0100 0001
默认是最高位b7写在左边，最低位b0写在右边。
但是，协议真正发送时不一定从左边开始：
- UART 通常从最低位
b0开始发送，也就是 LSB First。 - I²C 通常从最高位开始发送，也就是 MSB First。
- SPI 可以由设备和控制器配置决定。
- CAN 的字段和字节都有自己的发送规则。
所以看到一个二进制数时，不能直接认为“最左边那一位一定最先发送”。
第一条重要结论：纸面书写顺序和时间上的发送顺序是两件事。
三、为什么不能把 8 个数据位直接扔到线上？
如果发送端直接输出 8 个电平，接收端会遇到很多问题：
- 它不知道传输什么时候开始。
- 它不知道现在看到的是第几个比特。
- 它不知道这一组数据什么时候结束。
- 它不知道数据是否被干扰。
- 它可能不知道这组数据属于哪个设备或哪类消息。
因此，通信协议通常会在有效数据前后增加控制信息，组成一个有边界的整体，这就是数据帧。
不同协议采用了不同方法：
| 协议 | 怎样标记开始 | 怎样组织数据 | 怎样结束或确认 |
|---|---|---|---|
| UART | 起始位 | 数据位、可选校验位 | 停止位 |
| I²C | START | 地址、R/W、数据 | ACK/NACK、STOP |
| SPI | 通常由 CS 选中设备 | 按时钟连续移位 | 通常由 CS 释放结束 |
| CAN | SOF | ID、控制、数据、CRC | ACK、EOF |
数据帧通常在解决四类问题：
- 边界：从哪里开始，到哪里结束。
- 身份或含义：数据属于哪个设备或哪类消息。
- 长度：后面应该继续接收多少数据。
- 可靠性：是否需要应答、校验、CRC 或重发。
四、比特怎样变成真实导线上的电压？
数字电路会把逻辑 0 和逻辑 1 转换成不同的电压范围。
以常见的 3.3 V CMOS 信号为例：
- 高电平通常接近 3.3 V。
- 低电平通常接近 0 V。
但接收器并不是要求电压“必须恰好等于 3.3 V 或 0 V”，而是根据芯片数据手册规定的输入阈值，把实际电压判断为高或低。
同一个逻辑帧还可以经过不同收发器，变成不同的物理信号：
- MCU 的 UART 可以直接使用 3.3 V CMOS 电平。
- UART 经过 RS-232 收发器后，可以变成正负电压。
- UART 经过 RS-485 收发器后，可以变成差分电压。
- CAN 控制器的数据经过 CAN 收发器后，变成 CAN_H 与 CAN_L 上的差分信号。
这也是为什么UART 不等于 RS-232，也不等于 RS-485。
五、理解通信时，最好把它分成三层
| 层次 | 它关心的问题 | 常见例子 |
|---|---|---|
| 应用含义 | 这个数代表字符、温度还是命令？ | ASCII、寄存器表、DBC 信号 |
| 协议与帧 | 先发什么、怎样采样、怎样确认？ | UART、I²C、SPI、CAN |
| 物理信号 | 用什么电压、驱动方式和线缆？ | CMOS、RS-232、RS-485、CAN PHY |
很多初学者觉得通信协议混乱，是因为把这三层混在了一起。
例如“UART 发送字符 A”实际上包含了三个步骤：
- 应用层决定数字
0x41代表字符A。 - UART 把
0x41放进起始位、数据位和停止位构成的帧。 - 输出电路把每一位转换成随时间变化的电压。
接收端则按相反方向还原。
六、接收端怎样知道现在是第几个比特？
接收器不会一次性看到一个完整字节。它只能在某些时刻读取线路电压，这个动作叫采样。
同步协议和异步协议的做法不同：
- I²C、SPI 等同步协议提供时钟线，接收端在约定的时钟边沿或电平窗口采样。
- UART 没有独立时钟线，通信双方必须提前约定波特率，接收端发现起始位后按位时间定期采样。
- CAN 没有单独的时钟线，但各节点通过边沿同步和位时序规则保持一致。
数据在采样点到来前必须已经稳定，并在采样点之后继续保持一小段时间，这就是：
- 建立时间（Setup Time）
- 保持时间（Hold Time）
如果数据正好在采样时刻变化，接收端就可能得到错误结果。
七、拿到一张时序图，应该怎么读？
不要一开始就盯着所有缩写。可以固定按照下面的顺序：
- 先从左向右确认时间方向。
- 一次只看一根信号线。
- 找到通信前的空闲状态。
- 找到第一次关键变化，也就是起始条件。
- 找出接收端真正采样的时刻。
- 在采样点读取 0 或 1。
- 最后再把连续比特组合成字段、字节和数据帧。
八、用一分钟检查自己是否理解
尝试不看上文回答下面的问题：
- 导线上直接传输的是字符
A吗？ - 把二进制写成
0100 0001，是否说明一定先发送最左边的 0？ - 为什么通信双方必须使用相同的协议规则？
- UART 和 RS-232 为什么不能画等号？
参考答案
- 不是。导线上传输的是随时间变化的物理信号；接收端先还原数字，再按照编码解释为字符。
- 不是。那只是常见书写顺序，真正的发送顺序由协议和配置决定。
- 因为电平自身没有边界和含义，双方必须对速率、位序、帧格式和电气条件达成一致。
- UART 主要描述异步数据帧；RS-232 主要描述电气接口。UART 帧可以经过 RS-232 收发器传输，但两者不是同一个概念。
写在最后
学习通信协议，不应该从背缩写开始。
先问清楚：
- 信息原本是什么？
- 它被编码成了哪些比特？
- 协议在比特外增加了什么规则？
- 比特怎样变成线上的物理信号？
- 接收端在什么时刻采样？
只要这条链路能够在脑中连起来，后面学习 UART、I²C、SPI 和 CAN，就不会再像面对几组毫无联系的术语。
