4. Modbus 功能码详解：位操作与字操作

Modbus 协议的核心在于通过一组标准化的功能码（Function Code）实现对从站设备数据的读写。本章将深入解析最常用的 8 个功能码，将其分为位操作和字操作两大类，并结合 TCP 通信场景说明其数据帧结构与典型应用。

4.1 功能码分类总览

Modbus 功能码按操作粒度可分为位操作（针对单个 bit）和字操作（针对 16-bit 寄存器）。下表列出了本章涵盖的 8 个核心功能码及其用途：

4.2 位操作功能码详解

位操作功能码用于读写设备的数字量（布尔型）数据，每个地址对应一个独立的 bit。在 TCP 帧中，位数据被紧凑打包在字节中传输。

4.2.1 读线圈 (0x01) 与读离散输入 (0x02)

这两个功能码的请求格式完全相同，区别在于读取的对象不同：0x01 读取可读可写的线圈（DO），0x02 读取只读的离散输入（DI）。

• 请求帧：功能码 + 起始地址 (2字节) + 读取数量 (2字节)
• 响应帧：功能码 + 字节数 (1字节) + 数据 (N字节)

数据打包规则：从起始地址开始，每个 bit 按地址递增顺序排列，第一个字节的 LSB 对应起始地址。若读取数量不是 8 的倍数，最后一个字节的高位补 0。

# 请求示例：读取从地址 0x0000 开始的 10 个线圈
# 请求 PDU: 01 00 00 00 0A
# 响应 PDU: 01 02 CD 01
# 解释：字节数=2，数据=0xCD (1100 1101) 和 0x01 (0000 0001)
# 线圈状态：地址0=1, 地址1=0, 地址2=1, 地址3=1, 地址4=0, 地址5=0, 地址6=1, 地址7=1, 地址8=1, 地址9=0

4.2.2 写单线圈 (0x05) 与写多线圈 (0x0F)

0x05 用于控制单个线圈的通断，数据域固定为 2 字节：0xFF00 表示 ON，0x0000 表示 OFF。响应帧是请求帧的完全回显，用于确认。

0x0F 用于一次写入多个连续的线圈，请求帧需指定起始地址、线圈数量以及打包后的字节数据。

# 写单线圈示例：将地址 0x0005 的线圈置为 ON
# 请求 PDU: 05 00 05 FF 00
# 响应 PDU: 05 00 05 FF 00

# 写多线圈示例：从地址 0x0000 开始写入 8 个线圈，状态为 1010 1010
# 请求 PDU: 0F 00 00 00 08 01 AA
# 响应 PDU: 0F 00 00 00 08

4.3 字操作功能码详解

字操作功能码以 16-bit 寄存器为基本单位，用于读写模拟量、计数器、参数设定值等。每个寄存器包含 2 字节数据，在 TCP 帧中采用大端序（Big-Endian）传输。

4.3.1 读保持寄存器 (0x03) 与读输入寄存器 (0x04)

0x03 用于读取可读可写的保持寄存器（如设定值、累计值），0x04 用于读取只读的输入寄存器（如实时测量值）。请求帧格式一致：功能码 + 起始地址 (2字节) + 寄存器数量 (2字节)。

响应帧中，每个寄存器的高字节在前，低字节在后。例如，读取到的数值 0x1234 在帧中表现为 12 34。

# 请求示例：读取从地址 0x0100 开始的 3 个保持寄存器
# 请求 PDU: 03 01 00 00 03
# 响应 PDU: 03 06 00 0A 00 14 00 1E
# 解释：字节数=6，寄存器0=0x000A (10)，寄存器1=0x0014 (20)，寄存器2=0x001E (30)

4.3.2 写单寄存器 (0x06) 与写多寄存器 (0x10)

0x06 用于写入单个保持寄存器，请求帧包含地址和 2 字节数据。响应帧回显请求内容。

0x10 用于一次写入多个连续的保持寄存器，请求帧需指定起始地址、寄存器数量、字节数（= 寄存器数量 × 2）以及数据体。

# 写单寄存器示例：将地址 0x0100 的寄存器值设为 0x0BB8 (3000)
# 请求 PDU: 06 01 00 0B B8
# 响应 PDU: 06 01 00 0B B8

# 写多寄存器示例：从地址 0x0200 开始写入 2 个寄存器，值分别为 100 和 200
# 请求 PDU: 10 02 00 00 02 04 00 64 00 C8
# 响应 PDU: 10 02 00 00 02

4.4 功能码选择实战建议

• 读取数字量：优先使用 0x01/0x02 而非 0x03，因为位操作节省带宽。例如读取 16 个 DI 只需 2 字节响应数据，而用 0x03 需要 32 字节。
• 批量写入：当需要同时修改多个线圈或寄存器时，使用 0x0F/0x10 代替多次 0x05/0x06，可减少网络往返次数。
• 只读数据：对于传感器测量值等只读数据，使用 0x04（输入寄存器）更符合语义，且部分设备对 0x03 访问只读区域会返回异常。
• 异常处理：所有功能码在遇到非法地址、数量超限或写入只读区域时，从站会返回异常响应帧（功能码 + 0x80 + 异常码）。