4. UART 通信模式：单工、半双工、全双工对比与应用场景分析
UART 作为最基础的串行通信接口，其通信模式决定了数据在设备间的流动方式。理解单工、半双工、全双工三种模式的区别，是设计高效 UART 驱动的关键前提。本章将从物理层信号流向、驱动实现差异、典型应用场景三个维度进行系统对比。
💡 核心概念： 通信模式由数据线数量与方向控制逻辑共同决定。UART 硬件本身支持全双工（独立的 TX/RX 线），但上层协议或应用场景可能将其限制为半双工或单工模式。
4.1 单工模式 (Simplex)
单工模式下，数据只能沿一个固定方向传输，接收端无法向发送端回传任何数据。UART 硬件只需连接 TX → RX 一条数据线，GND 共地。
4.1.1 技术特征
- 数据线数量： 1 根（TX → RX）+ GND
- 方向控制： 无，硬件固定
- 驱动实现： 发送端只需 TX FIFO 写操作，接收端只需 RX FIFO 读操作
- 流控： 不需要硬件流控（RTS/CTS）
4.1.2 典型应用场景
| 场景 | 说明 | 驱动关注点 |
|---|---|---|
| 传感器数据上报 | 温度/湿度传感器只向主机发送数据 | 接收端中断或 DMA 读取 |
| 广播式日志输出 | 嵌入式设备通过 UART 输出调试日志 | 发送端轮询或 DMA 写入 |
| 单向 LED 控制 | 主机发送命令控制 LED 灯板 | 无需接收处理 |
🔧 驱动提示： 单工模式下，接收端驱动无需考虑发送逻辑，可简化中断处理函数。但需注意接收 FIFO 溢出问题——如果主机读取不及时，数据会被覆盖。
4.2 半双工模式 (Half-Duplex)
半双工模式下，通信双方可以互相发送数据，但同一时刻只能有一方发送。典型实现是使用单根数据线（TX/RX 复用），或通过软件控制方向切换。
4.2.1 技术特征
- 数据线数量： 1 根（TX/RX 共用）+ GND，或 2 根但软件控制方向
- 方向控制： 需要 GPIO 或协议层切换（如 RS-485 的 DE/RE 引脚）
- 驱动实现： 发送前需将 UART 模式切换为 TX，发送完成后切换回 RX
- 流控： 通常需要软件协议避免冲突（如 Modbus 的主从轮询）
4.2.2 方向切换时序
/* 半双工模式切换示例（RS-485 驱动） */
void uart_halfduplex_tx_start(struct uart_port *port)
{
/* 1. 等待当前接收完成 */
while (!(readl(port->membase + UART_LSR) & LSR_TEMT));
/* 2. 切换 GPIO 为发送模式（使能 DE） */
gpiod_set_value(port->rs485->de_gpio, 1);
/* 3. 使能发送器，禁用接收器 */
uart_update_mctrl(port, TIOCM_RTS, 0);
}
void uart_halfduplex_tx_stop(struct uart_port *port)
{
/* 1. 等待发送移位寄存器空 */
while (!(readl(port->membase + UART_LSR) & LSR_TEMT));
/* 2. 切换 GPIO 为接收模式（使能 RE） */
gpiod_set_value(port->rs485->de_gpio, 0);
/* 3. 使能接收器 */
uart_update_mctrl(port, TIOCM_RTS, 1);
}4.2.3 典型应用场景
| 场景 | 说明 | 驱动关注点 |
|---|---|---|
| RS-485 工业总线 | Modbus RTU 协议，主从轮询通信 | 方向切换时序、发送完成等待 |
| 单线 UART（1-Wire 模拟） | 调试接口或低成本传感器网络 | 开漏输出、上拉电阻、位时序 |
| 红外通信 (IrDA) | 半双工红外收发 | 编码/解码、载波调制 |
⚠️ 常见陷阱： 半双工驱动中最容易出错的是方向切换的“死锁”——发送完成后未及时切回接收模式，导致对方发送的数据丢失。建议在发送完成中断中立即切换方向，并使用定时器做超时保护。
4.3 全双工模式 (Full-Duplex)
全双工模式下，通信双方可以同时发送和接收数据。UART 硬件原生支持此模式，因为 TX 和 RX 是独立的物理线路和 FIFO。
4.3.1 技术特征
- 数据线数量： 2 根（TX ↔ RX 交叉连接）+ GND
- 方向控制： 无，硬件同时支持收发
- 驱动实现： 发送和接收完全独立，可并行处理
- 流控： 需要硬件流控（RTS/CTS）防止 FIFO 溢出
4.3.2 全双工驱动架构
4.3.3 典型应用场景
| 场景 | 说明 | 驱动关注点 |
|---|---|---|
| 标准 UART 调试串口 | Linux 内核早期启动日志 + 交互式 shell | 中断处理、环形缓冲区 |
| 蓝牙 HCI UART 传输 | 蓝牙芯片与主机间的 HCI 命令/事件/数据 | DMA 传输、硬件流控 |
| GPS 模块数据接收 | GPS 持续发送 NMEA 语句，主机可发送配置命令 | 高波特率、DMA 接收 |
| 高速串口屏通信 | MCU 发送绘图命令，屏幕返回触摸事件 | 双缓冲、DMA 乒乓操作 |
4.4 三种模式综合对比
| 对比维度 | 单工 | 半双工 | 全双工 |
|---|---|---|---|
| 数据流向 | 单向固定 | 双向分时 | 双向同时 |
| 物理线数 | 1 根 + GND | 1 根 + GND 或 2 根 | 2 根 + GND |
| 硬件流控 | 不需要 | 可选（RS-485 需 DE/RE） | 推荐（RTS/CTS） |
| 驱动复杂度 | 低 | 中（方向切换逻辑） | 高（并发收发 + 流控） |
| 吞吐量 | 低（单向） | 中（需切换时间） | 高（同时双向） |
| 典型波特率 | 9600 ~ 115200 | 9600 ~ 115200 | 115200 ~ 3Mbps+ |
| Linux 驱动支持 | 标准 UART 驱动 | 需 RS-485 半双工扩展 | 标准 UART 驱动 + 流控 |
4.5 驱动开发中的模式选择策略
📋 决策指南：
- 优先选择全双工 — 如果硬件支持且线数允许，全双工驱动最简单（无需方向切换），且吞吐量最高。
- 半双工用于长距离/多节点 — RS-485 总线必须使用半双工，驱动需重点处理方向切换时序和总线冲突检测。
- 单工用于纯数据采集 — 如果设备只发不收（如传感器），单工模式可节省 CPU 中断开销。
- 流控匹配 — 全双工高波特率必须启用硬件流控，否则 FIFO 溢出会导致数据丢失。
4.5.1 模式切换的驱动接口
在 Linux 内核中，通过 termios 结构体或 TIOCSRS485 ioctl 配置通信模式：
/* 设置半双工 RS-485 模式 */
struct serial_rs485 rs485conf;
rs485conf.flags = SER_RS485_ENABLED; /* 启用半双工 */
rs485conf.flags |= SER_RS485_RTS_ON_SEND; /* 发送时 RTS 高 */
rs485conf.flags |= SER_RS485_RTS_AFTER_SEND; /* 发送后 RTS 低 */
rs485conf.delay_rts_before_send = 1; /* 发送前延迟 1ms */
rs485conf.delay_rts_after_send = 1; /* 发送后延迟 1ms */
ioctl(fd, TIOCSRS485, &rs485conf);
/* 设置全双工模式（默认） */
struct termios2 tio;
ioctl(fd, TCGETS2, &tio);
tio.c_cflag &= ~CMSPAR; /* 清除半双工特殊标志 */
ioctl(fd, TCSETS2, &tio);
💡 经验之谈： 在嵌入式 Linux 中，UART 驱动默认工作在全双工模式。如果需要半双工 RS-485，务必在设备树中配置
rs485-mode 属性，并在驱动中实现 uart_ops->rs485_config() 回调函数。
4.6 本章小结
- 单工：最简单，适合单向数据流场景，驱动只需处理单方向 FIFO。
- 半双工：需要方向切换逻辑，驱动复杂度中等，常见于 RS-485 工业总线。
- 全双工：UART 原生模式，吞吐量最高，驱动需处理并发收发和硬件流控。
- 选择依据：根据物理层标准（RS-232/RS-485）、线数限制、吞吐量需求和协议要求综合决定。