基本概念
隨著計算機網路化和微機分級分散式套用系統的發展，通信的功能越來越重要。通信是指計算機與外界的信息傳輸，既包括計算機與計算機之間的傳輸，也包括計算機與外部設備，如終端、印表機和磁碟等設備之間的傳輸。在通信領域內，數據通信中按每次傳送的數據位數，通信方式可分為：並行通信和串列通信。
串口通信時，傳送和接收到的每一個字元實際上都是一次一位的傳送的，每一位為1或者為0。
同步通信
同步通信是一種連續串列傳送數據的通信方式，一次通信只傳送一幀信息。這裡的信息幀與異步通信中的字元幀不同，通常含有若干個數據字元。
它們均由同步字元、數據字元和校驗字元（CRC）組成。其中同步字元位於幀開頭，用於確認數據字元的開始。數據字元在同步字元之後，個數沒有限制，由所需傳輸的數據塊長度來決定；校驗字元有1到2個，用於接收端對接收到的字元序列進行正確性的校驗。同步通信的缺點是要求傳送時鐘和接收時鐘保持嚴格的同步。
異步通信
異步通信中，在異步通信中有兩個比較重要的指標：字元幀格式和波特率。數據通常以字元或者位元組為單位組成字元幀傳送。字元幀由傳送端逐幀傳送，通過傳輸線被接收設備逐幀接收。傳送端和接收端可以由各自的時鐘來控制數據的傳送和接收，這兩個時鐘源彼此獨立，互不同步。
接收端檢測到傳輸線上傳送過來的低電平邏輯"0"（即字元幀起始位）時，確定傳送端已開始傳送數據，每當接收端收到字元幀中的停止位時，就知道一幀字元已經傳送完畢。
特點
一、串列通信的特點
數據在單條一位寬的傳輸線上，一比特接一比特地按順序傳送的方式稱為串列通信。如圖8.1(a)所示的並行通信中，一個位元組（8位）數據是在8條並行傳輸線上同時由源傳到目的地；而在圖8.1(b) 所示的串列通信方式中，數據是在單條1位寬的傳輸線上
一位接一位地順序傳送。這樣一個位元組的數據要分8次由低位到高位按順序一位位地傳送。由此可見，串列通信的特點如下：
1、節省傳輸線，這是顯而易見的。尤其是在遠程通信時，此特點尤為重要。這也是串列通信的主要優點。
2、數據傳送效率低。與並行通信比，這也這是顯而易見的。這也是串列通信的主要缺點。
串列通信例如：傳送一個位元組，並行通信只需要1T的時間，而串列通信至少需要8T的時間。 由此可見，串列通信適合於遠距離傳送，可以從幾米到數千公里。對於長距離、低速率的通信，串列通信往往是唯一的選擇。並行通信適合於短距離、高速率的數據傳送，通常傳輸距離小於30米。特別值得一提的是，現成的公共電話網是通用的長距離通信介質，它雖然是為傳輸聲音信號設計的，但利用調製解調技術，可使現成的公共電話網系統為串列數據通信提供方便、實用的通信線路。
形式和標準
調幅方式
串列數據在傳輸時通常採用調幅（AM）和調頻（FM）兩種方式傳送數字信息。遠程通信時，傳送的數字信息，如 二進制數據，首先要調製成模擬信息。 幅度調製是用某種電平或電流來表示邏輯“1”，稱為傳號（mark）；而用另一種電平或電流來表示邏輯“0”，稱為空號（space）。出現在傳輸線上的mark/space的串列數據形式。
使用mark/space形式通常有四種標準，TTL標準、RS-232標準、20mA電流環標準和60mA電流環標準。
① TTL標準：用+5V電平表示邏輯“1”；用0V電平表示邏輯“0”，這裡採用的是正邏輯。
② RS-232標準：用-3V— -15V之間的任意電平表示邏輯“1” ；用+3V — +15V電平表示邏輯“0”，這裡採用的是負邏輯。
③ 20mA電流環標準。線路中存在20mA電流表示邏輯1，不存在20mA電流表示邏輯0。
④ 60mA電流環標準。線路中存在60mA電流表示邏輯1，不存在60mA電流表示邏輯0。
調頻方式
頻率調製方式是用兩種不同的頻率分別表示二進制中的邏輯1和邏輯0，通常使用曼徹斯特編碼標準和堪薩斯城標準。
①曼徹斯特編碼標準：這種標準兼有電平變化和頻率變化來表示二進制數的0和1。每當出現一個新的二進制位時，就有一個電平跳變。如果該位是邏輯1，則在中間還有一個電平跳變；而邏輯0僅有位邊沿跳變。所以邏輯1的頻率比邏輯0的頻率大一倍。曼徹斯特編碼標準通常用在兩台計算機之間的同步通信。
② 堪薩斯城標準：它用頻率為1200Hz中的4個周期表示邏輯0，而用頻率為2400Hz中的8個周期表示邏輯1。
數字編碼方式
⑴ NRZ編碼
NRZ編碼又稱為不歸零編碼，常用正電壓表示“1”，負電壓表示“0”，而且在一個碼元時間內，電壓均不需要回到零。其特點是全寬碼，即一個碼元占一個單元脈衝的寬度。
⑵曼徹斯特（Manchester)編碼
在曼徹斯特編碼中，每個二進制位（碼元）的中間都有電壓跳變。用電壓的正跳變表示“0”，電壓的負跳變表示“1”。由於跳變都發生在每一個碼元的中間位置（半個周期），接收端就可以方便地利用它作為同步時鐘，因此這種曼徹斯特編碼又稱為自同步曼徹斯特編碼。目前最廣泛套用的區域網路—乙太網，在數據傳輸時就採用這種數字編碼。
⑶ 微分曼徹斯特編碼
微分曼徹斯特編碼是曼徹斯特編碼的一種修改形式，其不同之處時：用每一位的起始處有無跳變來表示“0”和“1”，若有跳變則為“0”，無跳變則為“1”；而每一位中間的跳變只用來作為同步的時鐘信號，所以它也是一中自同步編碼,同步曼徹斯特編碼和微分曼徹斯特編碼的每一位都是用不同電平的兩個半位來表示的，因此始終保持直流的平衡。不會造成直流的累積。
數據傳輸率
數據傳輸率是指單位時間內傳輸的信息量，可用比特率和波特率來表示。
⑴比特率：比特率是指每秒傳輸的二進制位數，用bps（bit/s)表示。
⑵波特率：波特率是指每秒傳輸的符號數，若每個符號所含的信息量為1比特，則波特率等於比特率。在計算機中，一個符號的含義為高低電平，它們分別代表邏輯“1”和邏輯“0”，所以每個符號所含的信息量剛好為1比特，因此在計算機通信中，常將比特率稱為波特率，即：
1波特（B）= 1比特（bit）= 1位/秒（1bps） 例如:電傳打字機最快傳輸率為每秒10個字元/秒，每個字元包含11個二進制位,則數據傳輸率為:10Baud。11位/字元×10個字元/秒=110位/秒=110bps。計算機中常用的波特率是：110、300、600、1200、2400、4800、9600、19200、28800、33600，目前最高可達56Kbps.
⑶位時間Td
位時間是指傳送一個二進制位所需時間，用Td 表示。Td = 1/波特率 = 1/B
例如：B=110波特/秒 ， 則Td = 1/110 ≈ 0.0091s
傳送時鐘和接收時鐘
在串列通信中，二進制數據以數位訊號的信號形式出現,不論是傳送還是接收，都必須有時鐘信號對傳送的數據進行定位。在TTL標準表示的二進制數中，傳輸線上高電平表示二進制1，低電平表示二進制0，且每一位持續時間是固定的，由傳送時鐘和接收時鐘的頻率決定。
⑴ 傳送時鐘
傳送數據時，先將要傳送的數據送入移位暫存器，然後在傳送時鐘的控制下，將該並行數據逐位移位輸出。通常是在傳送時鐘的下降沿將移位暫存器中的數據串列輸出，每個數據位的時間間隔由傳送時鐘的周期來劃分。
⑵ 接收時鐘
在接收串列數據時，接收時鐘的上升沿對接收數據採樣，進行數據位檢測，並將其移入接收器的移位暫存器中，最後組成並行數據輸出。
⑶ 波特率因子
接收時鐘和傳送時鐘與波特率有如下關係：F = n × B 這裡F 是傳送時鐘或接收時鐘的頻率; B 是數據傳輸的波特率； n 稱為波特率因子。設傳送或接收時鐘的周期為Tc，頻率為F的位傳輸時間為Td，則： Tc = 1/F , Td = 1/B 得到： Tc = Td /n 在實際串列通信中，波特率因子可以設定。在異步傳送時，n = 1，16，64，實際常採用n = 16，即傳送或接收時鐘的頻率要比數據傳送的波特率高n倍。在同步通信時，波特率因子n必須等於1。
異步通信
1、串列異步通信時的數據格式
異步方式通信ASYNC（Asynchronous Data Communication）,又稱起止式異步通信，是計算機通信中最常用的數據信息傳輸方式。它是以字元為單位進行傳輸的，字元之間沒有固定的時間間隔要求，而每個字元中的各位則以固定的時間傳送。收、發雙方取得同步的方法是採用在字元格式中設定起始位和停止位。在一個有效字元正式傳送前，傳送器先傳送一個起始位，然後傳送有效字元位，在字元結束時再傳送一個停止位，起始位至停止位構成一幀。
串列異步傳輸時的數據格式：
⑴ 起始位：起始位必須是持續一個比特時間的邏輯“0”電平，標誌傳送一個字元的開始。
⑵ 數據位：數據位為5-8位，它緊跟在起始位之後，是被傳送字元的有效數據位。傳送時先傳送字元的低位，後傳送字元的高位。數據位究竟是幾位，可由硬體或軟體來設定。
⑶ 奇偶位：奇偶校驗位僅占一位，用於進行奇校驗或偶校驗，也可以不設奇偶位。
⑷ 停止位：停止位為1位、1.5位或2位，可有軟體設定。它一定是邏輯“1”電平，標誌著傳送一個字元的結束。
⑸ 空閒位：空閒位表示線路處於空閒狀態，此時線路上為邏輯“1”電平。空閒位可以沒有，此時異步傳送的效率為最高。
2、串列異步通信時的數據接收
串列異步通信時，接收方不斷地檢測或監視串列輸入線上的電平變化，當檢測到有效起始位出現時，便知道接著是有效字元位的到來，並開始接收有效字元，當檢測到停止位時，就知道傳輸的字元結束了。經過一段隨機時間間隔之後，又進行下一個字元的傳送過程。 通常接收端的採樣時鐘周期要比傳輸字元的位周期短，常用的採樣時鐘頻率為位頻率的16倍，採取這種措施是為了提高抗干擾能力，參看圖8.19所示。從圖中可知，傳輸字元的位周期Td等於採樣時鐘周期Tc的16倍。接收器的採樣時鐘的每個上升沿對輸入信號進行採樣，檢驗接收數據線上的低電平是否保持8或9個連續的時鐘周期，以確定傳輸線上的低電平是否是真的起始位。這樣就可以避免噪聲干擾引起的誤操作，從而刪除假的起始位。相當精確地確定起始位的中間點，從而提供一個時間基準，從這個基準開始，每隔16個Tc對其餘數據位採樣，以確保傳輸數據的正確性。
接收端為實現採樣數據的基準，可以執行以下步驟：
⑴ 在接收端設定一採樣時鐘頻率計數器，當檢測到起始位下降沿時，將其清零，並開始對採樣時鐘計數，即每來一個時鐘，計數器加1。
⑵ 當計數器計到8時，表示已到達起始位的中間位置，此時採樣值為0，說明是真正的起始位，同時將計數器清零；若採樣值不為0，則說明一開始檢測到的下降沿不是真正的起始位前沿，而是一次干擾，此次檢測應作廢，計數器清零，並重新開始檢測起始位。
⑶ 檢測到真正的起始位後，計數器清零，以後每次計到16時，便採樣收到的信號波形（即每一位的中間），將採到的數值暫存起來，同時將計數器清零，重新計數，直至最後的停止位被採樣。
⑷ 如果停止位採樣正確（為1），則字元被接收，並由暫存器裝入暫存器。若停止位採樣值為0，說明同步或傳輸有問題，此次採樣所得字元作廢,不被接收。
異步通信的特點
⑴ 起止式異步通信協定傳輸數據對收發雙方的時鐘同步要求不高，即使收、發雙方的時鐘頻率存在一定偏差，只要不使接收器在一個字元的起始位之後的採樣出現錯位現象，則數據傳輸仍可正常進行。因此，異步通信的傳送器和接收器可以不用共同的時鐘，通信的雙方可以各自使用自己的本地時鐘。
⑵ 實際套用中，串列異步通信的數據格式，包括數據位的位數、校驗位的設定以及停止位的位數都可以根據實際需要，通過可程式串列接口電路，用軟體命令的方式進行設定。在不同傳輸系統中，這些通信格式的設定完全可以不同；但在同一個傳輸系統的傳送方和接收方的設定必須一致，否則將會由於收、發雙方約定的不一致而造成數據傳輸的錯誤與混亂。
⑶ 串列異步通信中，為傳送一個字元需要一些附加的信息位，如起始位、校驗位和停止位等。這些附加信息位不是有效信息本身，它們被稱為額外開銷或通信開銷，這種額外開銷使通信效率降低。例如一個字元由7位組成，加上一位起始位、一位校驗位和一位停止位 ，傳送一個字元必須傳送10位，而其中只有7位是有效的，其餘3位不是有效的，使通信能力的30%成了額外開銷。所以異步通信適用於傳送數據量較少或傳輸要求不高的場合。對於快速、大量信息的傳輸，一般採用通信效率較高的同步通信方式。
⑷ 串列異步通信依靠對每個字元設定起始位和停止位的方法，使通信雙方達到同步。
通信協定
普遍協定
最被人們熟悉的串列通信技術標準是EIA－232、EIA-422和EIA－485，也就是以前所稱的RS-232、RS-422和RS-485。由於EIA提出的建議標準都是以“RS”作為前綴，所以在工業通信領域，仍然習慣將上述標準以RS作前綴稱謂。
EIA－232、EIA-422和EIA－485都是串列數據接口標準，最初都是由電子工業協會（EIA）制訂並發布的，EIA-232在1962年發布，後來陸續有不少改進版本，其中最常用的是EIA-232-C版。
目前EIA-232是PC機與通信工業中套用最廣泛的一種串列接口。EIA-232被定義為一種在低速率串列通信中增加通信距離的單端標準。EIA-232採取不平衡傳輸方式，即所謂單端通信。標準規定，EIA－232的傳送距離要求可達50英尺（約15米），最高速率為20kbps。
由於EIA-232存在傳輸距離有限等不足，於是EIA-422誕生了。EIA-422標準全稱是“平衡電壓數字接口電路的電氣特性”，它定義了一種平衡通信接口，將傳輸速率提高到10Mbps，傳輸距離延長到4000英尺（約1219米），並允許在一條平衡匯流排上連線最多10個接收器。當然，EIA－422也有缺陷: 因為其平衡雙絞線的長度與傳輸速率成反比，所以在100kbps速率以內，傳輸距離才可能達到最大值，也就是說，只有在很短的距離下才能獲得最高傳輸速率。一般在100米長的雙絞線上所能獲得的最大傳輸速率僅為1Mbps。另外有一點必須指出，在EIA-422通信中，只有一個主設備（Master），其餘為從設備（Salve），從設備之間不能進行通信，所以EIA-422支持的是點對多點的雙向通信。
為擴展套用範圍，EIA於1983年在EIA-422基礎上制定了EIA-485標準，增加了多點、雙向通信能力，即允許多個傳送器連線到同一條匯流排上，同時增加了傳送器的驅動能力和衝突保護特性，擴展了匯流排共模範圍，後命名為TIA/EIA-485-A標準。
由於EIA-485是從EIA-422基礎上發展而來的，所以EIA-485許多電氣規定與EIA-422相仿，如都採用平衡傳輸方式、都需要在傳輸線上接終接電阻、最大傳輸距離約為1219米、最大傳輸速率為10Mbps等。但是，EIA-485可以採用二線與四線方式，採用二線制時可實現真正的多點雙向通信，而採用四線連線時，與EIA-422一樣只能實現點對多點通信，但它比EIA-422有改進， 無論四線還是二線連線方式匯流排上可接多達32個設備。
USB
USB是英文 Universal Serial Bus 的縮寫，翻譯成中文的含義是“通用串列匯流排”。
從技術上看，USB是一種串列匯流排系統，它的最大特性是支持即插即用和熱插拔功能。在Windows 2000的作業系統中，任何一款標準的USB設備可以在任何時間、任何狀態下與計算機連線，並且能夠馬上開始工作。
USB誕生於1994年，是由康柏、IBM、Intel和Microsoft共同推出的，旨在統一外設接口，如印表機、外置Modem、掃瞄器、滑鼠等的接口，以便於用戶進行便捷的安裝和使用，逐步取代以往的串口、並口和PS/2接口。
發展至今，USB共有四種種標準：1996年發布的USB1.0，1998年發布的USB1.1以及剛剛發布的最新標準USB2.0，2008年USB 3.0 Promoter Group宣布新一代USB 3.0標準已經正式完成並公開發布。此四種標準最大的差別就在於數據傳輸速率方面，當然，在其他方面也有不同程度的改進。就目前的USB3.0而言，最大傳輸頻寬高達5.0Gbps，也就是640MB/s，同時能夠兼容USB2.0。
目前在IT領域，USB接口可謂春風得意。人們在市場上可以看到，每一款計算機主機板都帶有不少於2個USB接口，USB印表機、USB數據機、USB滑鼠、USB音箱、USB存儲器等產品越來越多，USB接口已經占據了串列通信技術的壟斷地位。
但是，在工業領域，使用USB接口的產品則甚為少見。在工業領域，人們更要求產品的可靠性和穩定性，目前，EIA標準下的串列通信技術完全可以滿足人們對工業設備傳輸的各種性能要求，而且，這些產品價格非常低廉。相比之下，USB價格較高，並且其即插即用的功能在工業通信中沒有優勢。因為工業設備一般連線好以後很少進行重複插拔，USB特性的優越性不能很好地被體現出來，也就得不到工業界的普遍認可。因此，在工業領域，EIA標準依然占據統治地位。
IEEE 1394
IEEE 1394是一種與平台無關的串列通信協定，標準速度分為100Mbps、200Mbps和400Mbps，是IEEE（電氣與電子工程師協會）於1995年正式制定的匯流排標準。目前，1394商業聯盟正在負責對它進行改進，爭取未來將速度提升至800Mbps、1Gbps和1.6Gbps這三個檔次。相比於EIA接口和USB接口，IEEE 1394的速度要高得多，所以，IEEE 1394也稱為高速串列匯流排。
IEEE 1394提供了一種高速的即插即用匯流排。接入這條匯流排，各種外設便不再需要單獨供電，它也支持等時的數據傳輸，是將計算機和消費類電器連線起來的重要橋樑。例如，用戶可以在計算機上接駁一部數字VCR，把它當作一個普通的外設使用，既可用來播放電影，亦可以錄製在計算機上編輯視頻流。除此以外，帶有IEEE 1394接口的DV（數字視頻）攝影機和數字衛星接收器目前均已上市。由於速度非常快，所以它是消費類影音（A/V）電器、存儲、列印、高解析度掃描和其他便攜設備的理想選擇。
從技術上看，IEEE 1394具有很多優點，首先，它是一種純數字接口，在設備之間進行信息傳輸的過程中，數位訊號不用轉換成模擬信號，從而不會帶來信號損失；其次，速度很快，1Gbps的數據傳輸速度可以非常好地傳輸高品質的多媒體數據，而且設備易於擴展，在一條匯流排中，100Mbps、200Mbps和400Mbps的設備可以共存；另外，產品支持熱插拔，易於使用，用戶可以在開機狀態下自由增減IEEE 1394接口的設備，整個匯流排的通信不會受到干擾。
相關動態
IEEE P802.3bs 400Gbs工作組在最近的IEEE 802.1/IEEE 802.3聯合會議上同意採用基於4波長100Gbps的新的單模光纖PMD（物理層媒介關聯）技術標準。這意味著持續數月的關於串列100Gbps技術是否足夠成熟的討論暫時告一段落。Lightwave 1月份的文章曾經報導過當時只有三分之一的成員同意這一標準，另外三分之一支持8X50Gbps。
IEEE P802.3bs工作組成員投票採用基於PAM-4調製技術的4X100Gbps PMD格式，500米傳輸。這種技術類似於PSM4 MSA採用的4X25Gbps格式。此次投票還通過了8x50Gbps 10公里的標準，這種格式也採用了PAM-4調製。調製格式上，此前曾考慮過PAM16和PAM8，但這次PAM-4占了上風。
IEEE P802.3bs工作組近期工作主要圍繞制定100米多模光纖，500米單模光纖，2公里單模光纖，10公里單模光纖的相關標準。在多模光纖套用上，16X25Gbps的NRZ格式獲得了迅速通過。但是單模光纖套用方面，關於50Gbps還是100Gbps單波長，調製採用NRZ還是什麼PAM-4，DMT都一直在激烈辯論。
在400Gbps模組中引入4X100Gbps沿襲了IEEE 802.3ba的4X10bps以及4X25Gbps採用4路復用的傳統，而且只採用4路雷射器和探測器能夠降低成本。對於4X100Gbps的電接口，有此前制定的PMA（物理層媒介連線Attachment）子層也不是大問題。但是100Gbps串列技術的實現離不開DSP，現有DSP技術的功耗和尺寸都是挑戰。
