串口
我们通常说的串口，可以有两种意思：
- 一是指 UART 协议
- 二是泛指串行接口，与并行接口相对
我们接下来要讲的是第一种，也就是 UART 协议。由于英文比较拗口，所以我们通常称它为串口。
介绍
本文讲述的是 UART 协议的信号和波形。对于完成实验来说，只需要大概了解 UART 协议的原理，不需要深入理解其硬件的实现。
UART 协议在实验中的用途
我们为什么要学习 UART 呢？对于一台计算机来说，不能只有 CPU 和 内存，它还需要接收来自用户的输入。现实生活中，我们通常会用鼠标和键盘作为计算机的输入，但是这些对于实验来说，实现起来比较复杂。
让我们仔细想想，既然鼠标和键盘过于复杂了，我们至少需要什么？鼠标是不必要的，只需要键盘输入命令，可以看到结果就可以了。继续简化，我们不考虑同时按下多个按键，只考虑简单的输入，比如英文字母，数字，回车等等。很巧，这些输入正好都可以用 ASCII 码表示，那就可以很简单地把输入转换编码为一个个字节，然后设法传输给计算机即可。
同理，我们也可以用同样的方法进行输出：回忆一下，我们经常用的 printf/cout 等输出方式，不也是在输出 ASCII 码吗？正好，也是把一个一个字节从计算机输出到“显示器”上，就可以看到结果了。
所以为了实现我们自己造的计算机可以进行交互，只需要一个可以传输一个个字节的协议就可以了。答案到这里已经呼之欲出了：这就是 UART 协议的用途。
在今天，UART 协议在嵌入式开发、硬件调试和网络运维等场景中依然可以见到。
UART 协议
UART 协议的历史很长，但由于其简单和实用的特点，到现在还在使用。它的特点是只需要两条信号线就可以实现全双工，即两端可以同时收发。如果 UART 连接了 A 设备和 B 设备，那么这两条信号线，分别是从 A 发送到 B 和从 B 发送到 A。于是，根据收和发，我们一般把这两条信号线命名为：
- rx/rxd：receive，接收
- tx/txd：transmit，发送
UART 协议的设计
接下来，我们可以思考一下，如果我们要设计一个只用一根信号线发送数据的协议，我们可以怎么做。为了尽量简单，我们可以这样设计：
- 输出的信号只有 0 和 1
- 人为固定一个时间间隔，即把 1s 分成很多份，每个时间间隔内，信号一直是 0 或者 1 保持不变，这样发送比较简单
- 那么，如果要传输一个字节，最简单的方法就是用 8 个时间间隔，每个时间间隔传一个 bit；例如如果要传输 0x12 字节，转换为二进制，就是 0b00010010，然后分成 8 次，一个一个位传输
- 但是，上面的办法无法判断什么时候是一个字节的开始和结束
- 为了把传输的每个字节区分开，设定：不传输数据的时候一直输出 1，传输字节前输出一个时间间隔的 0，然后是字节的 8 个位，最后输出一个时间间隔的 1
- 这就是 UART 协议
如果我们规定，发送字节的时候，从最低位开始传，那么传输 0x12 就是如下的波形：
- a 和之前：没有传输数据，所以一直是 1
- b：即将传输一个字节，所以先输出一个 0
- c 到 d：8 个时间间隔，输出 0, 1, 0, 0, 1, 0, 0, 0，即 0x12 从最低位到最高位
- e：已经传输完字节，输出一个 1
- f 和之后：没有传输数据，所以一直是 1
通讯的双方约定一个时间间隔的长度，然后都按照上面的方式进行发送。这样就实现了 UART 协议。我们通常把 UART 协议中 1s 时间间隔的个数记为波特率（Baud Rate）。常见的波特率有 9600 和 115200。