STM32单片机与上位机通信协议栈分析：从底层协议到应用层协议，深入理解通信协议

# 1. 通信协议概述

通信协议是计算机系统之间交换信息的一种规则或标准。它定义了数据格式、传输方式和错误处理机制，确保不同设备之间能够有效通信。通信协议可分为底层协议和应用层协议两大类。

底层协议负责数据在物理层和数据链路层的传输，包括串口通信协议、以太网通信协议等。应用层协议则负责应用程序之间的数据交换，如 Modbus 协议、MQTT 协议、HTTP 协议等。

# 2. 底层协议

### 2.1 串口通信协议

串口通信协议是一种使用串行通信方式进行数据传输的协议。它通常用于短距离通信，例如连接计算机和外围设备。串口通信协议有多种标准，包括 RS-232、RS-485 和 CAN 总线。

#### 2.1.1 RS-232 标准

RS-232 标准是一种异步串行通信协议，用于在两个设备之间传输数据。它使用一对双绞线，一条用于发送数据，另一条用于接收数据。RS-232 标准支持全双工通信，这意味着两个设备可以同时发送和接收数据。

**参数说明：**

- 波特率：数据传输速率，单位为比特/秒。
- 数据位：每个字符传输的数据位数，通常为 7 或 8 位。
- 停止位：字符传输结束后发送的停止位数，通常为 1 或 2 位。
- 奇偶校验：用于检测数据传输错误的校验方法，可以是无校验、奇校验或偶校验。

**代码块：**

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <termios.h>

int main() {
  int fd;
  struct termios options;

  // 打开串口设备
  fd = open("/dev/ttyS0", O_RDWR | O_NOCTTY);
  if (fd == -1) {
    perror("open");
    exit(EXIT_FAILURE);
  }

  // 设置串口参数
  tcgetattr(fd, &options);
  options.c_cflag = B9600 | CS8 | CLOCAL | CREAD;
  options.c_iflag = IGNPAR | ICRNL;
  options.c_oflag = 0;
  options.c_lflag = 0;
  tcsetattr(fd, TCSANOW, &options);

  // 发送数据
  write(fd, "Hello, world!", 13);

  // 接收数据
  char buffer[1024];
  int n = read(fd, buffer, sizeof(buffer));
  if (n > 0) {
    printf("Received: %s\n", buffer);
  }

  // 关闭串口设备
  close(fd);

  return 0;
}

**逻辑分析：**

这段代码演示了如何使用 RS-232 标准在 Linux 系统上进行串口通信。它打开串口设备，设置串口参数，发送数据，接收数据，然后关闭串口设备。

#### 2.1.2 RS-485 标准

RS-485 标准是一种半双工串行通信协议，用于在多台设备之间传输数据。它使用一对双绞线，所有设备共享这两条线。RS-485 标准支持多主模式，这意味着多个设备可以同时充当主设备。

**参数说明：**

- 波特率：数据传输速率，单位为比特/秒。
- 数据位：每个字符传输的数据位数，通常为 7 或 8 位。
- 停止位：字符传输结束后发送的停止位数，通常为 1 或 2 位。
- 奇偶校验：用于检测数据传输错误的校验方法，可以是无校验、奇校验或偶校验。
- 驱动模式：设备在总线上的驱动模式，可以是半双工或全双工。

**代码块：**

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <termios.h>

int main() {
  int fd;
  struct termios options;

  // 打开串口设备
  fd = open("/dev/ttyS0", O_RDWR | O_NOCTTY);
  if (fd == -1) {
    perror("open");
    exit(EXIT_FAILURE);
  }

  // 设置串口参数
  tcgetattr(fd, &options);
  options.c_cflag = B9600 | CS8 | CLOCAL | CREAD;
  options.c_iflag = IGNPAR | ICRNL;
  options.c_oflag = 0;
  options.c_lflag = 0;
  options.c_cc[VMIN] = 1;
  options.c_cc[VTIME] = 0;
  tcsetattr(fd, TCSANOW, &options);

  // 发送数据
  write(fd, "Hello, world!", 13);

  // 接收数据
  char buffer[1024];
  int n = read(fd, buffer, sizeof(buffer));
  if (n > 0) {
    printf("Received: %s\n", buffer);
  }

  // 关闭串口设备
  close(fd);

  return 0;
}

**逻辑分析：**

这段代码演示了如何使用 RS-485 标准在 Linux 系统上进行串口通信。它打开串口设备，设置串口参数，发送数据，接收数据，然后关闭串口设备。

#### 2.1.3 CAN 总线协议

CAN 总线协议是一种串行通信协议，用于在汽车和工业自动化系统中传输数据。它使用双绞线或光纤作为传输介质，支持多主模式。CAN 总线协议具有高可靠性、高实时性和低成本的特点。

**参数说明：**

- 波特率：数据传输速率，单位为比特/秒。
- 数据位：每个字符传输的数据位数，通常为 8 位。
- 停止位：字符传输结束后发送的停止位数，通常为 1 位。
- 奇偶校验：用于检测数据传输错误的校验方法，通常使用 CRC 校验。
- 报文格式：CAN 总线协议报文格式分为标准帧和扩展帧两种。

**代码块：**

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <linux/can.h>
#include <linux/can/raw.h>

int main() {
  int fd;
  struct sockaddr_can addr;
  s