字符收得到，却读不出来

一句话总结

UART 没有时钟线。所以双方必须信任同一个位时间，一旦这种信任被打破，帧就会从后半部分开始崩溃。

为什么需要它

一个传感器每 3 秒发送一行测量值。终端上打印出的是无法辨认的字符，但长度是对的，换行也准时到来。换了传感器依然如此，换了线缆也依然如此。这种表现几乎总是速度的问题。如果是断线，就什么也收不到；如果是噪声，只是偶尔出错，而不会每次都在同一个位置以同样的方式出错。

UART 之所以容易出这类故障，是因为它的设计就是如此。只有一根线，没有办法告诉对方“现在是位边界”。发送方按自己的时钟排列各个位，接收方按自己的时钟去切分。没有任何地方能保证两个时钟一致。唯一的，只有每个帧一次对齐位置的机会，也就是起始位。

工作原理

空闲时线路为高电平。有数据要发送时，会把线路拉低一个位时间，这就是起始位。接收方看到这个下降沿，就据此对齐自己的时钟。接着数据位从低位开始依次发出，根据配置附加一个奇偶校验位，最后以至少一位的高电平停止位结束。所谓 8N1 配置，指的是 8 位数据、无校验、1 位停止位。

接收方要做的事很简单：把距离起始沿 (k + 0.5) 个位时间的位置，读作第 k 位。之所以选择位格的正中央，是因为那里离边沿最远。

      시작    d0    d1    d2    d3    d4    d5    d6    d7   정지
   ────┐     ┌─────┐           ┌─────────────────┐     ┌────────
       └─────┘     └───────────┘                 └─────┘
        ^     ^     ^     ^     ^     ^     ^     ^     ^     ^
        표본은 언제나 칸의 한가운데

这种结构决定了误差预算。在 8N1 中，最后读取的位置是停止位，也就是距离起始沿 9.5 个位时间的地方。要让它不越出格子，累积误差必须在 0.5 位之内，所以两个时钟允许的差异是 0.5 ÷ 9.5，约 5.3%。这个数字不是从规范里抄来的，而是直接由帧结构得出的。因此错位不是从帧的前部，而是从后部开始暴露，因为前面的位还留有余量。

在嵌入式设备中，产生这种误差最常见的途径不是噪声，而是分频比。固件假定 12 MHz 来设置分频比，但电路板上装的晶振是 11.0592 MHz，那么用同样的分频比得到的波特率是 9600 × 11.0592 ÷ 12 = 8847.36 Bd。这超过了 8%，也就超出了上面的预算。本课程的采集文件正是这种情况，在波形上表现为位边界在帧内逐渐偏移。

这里出现两种保护机制。帧错误（framing error）表示停止位的位置被读成了低电平。速度一旦错位，最后一位最先出错，所以很容易被检出。奇偶校验是把 1 的个数调整为奇数或偶数的方法，所以只有当位被翻转了奇数个时才会被发现。如果翻转了偶数个，就会照样通过。sigrok 的 UART 解码器文档也把这两者分别当作 parity error 和 frame error 来处理（文档）。

修复的一方出乎意料地容易，因为答案就在采集文件里。如果帧是不间断地连续发送的，那么所有边沿都位于同一个位网格上，所以任意两个边沿之间都是整数个位时间。先用最短的间隔取一个粗略的值，再逐步拉长基线，对那个整数重新取整，精度就会提高。不能一次就用整个长度——一旦粗略值的误差乘以位数超过 0.5 位，取整就会选出错误的整数。

在现场相遇的样子

收到“字符乱码”的报告时，首先要问：是每次都在同一个位置乱，还是随机的？同一个位置就是速度问题，随机就是电气问题。然后看帧错误计数器是否在增加。增加就是时序问题，如果没有增加而值却异常，情况就更糟——那是未被检测到的损坏。

我们经常看到一些设计文档，开启了奇偶校验就说“现在安全了”。在本课程的 8E1 采集中，11 个帧里有 10 个出错，而奇偶校验和帧错误检出的只有 8 个。还有 3 个没有任何标记，就带着错误的值通过了。奇偶校验是“有问题”的信号，而不是“没有问题”的保证。

下一项实验要做什么

你会拿到三份采集文件：一份正常，两份时钟错位。亲手编写阈值函数和帧解码器，一边抽稀采样点，一边找出读取开始崩溃的位置，在错位的采集中重新测出真实的位时间，让可读的句子重新出现。最后用数字统计奇偶校验抓住了什么、漏掉了什么。