一、基本概念。
串口，一般是指RS232。RS232是协议名称，而串口还应该包括了其它协议，如：RS485、RS422等。
串口也叫UART，有时叫USART（应该写成U(S/A)RT，但是略显累赘），U是通用，A是异步，S是同步，所以，UART跟USRT区别在于有无同步时钟，所以有的串口会有三根线（地线除外）。为了避免混淆，以下均使用RS232，而不使用串口。
RS232发送是靠TXD和GND之间的电压来传数据（接收跟发送雷同），是共模电压，抗干扰能力差，导致传输距离非常有限。
因为RS232的简单、低成本，所以不管是单片机、ARM、DSP都配了这种接口（FPGA可以自制）。
二、封装成帧。
RS232的协议，分成几个部分：起始位、数据位、校验位、停止位。注意，这里用的是位（bit）。
单纯地按照协议规定的去做，会出现一些问题。
1、奇偶校验的校验能力太差。
2、传错一个数据，没法重传。
3、在总线上挂了几个从机，主机如何区分是哪台从机发出的数据（有的设备不能把校验位当地址位用）。
4、如果没有成功发送停止位，那么接收端会不会一直等待。
5、总线上传错了一组数据，没法定位是哪个地方（哪个位）出问题。
鉴于以上诸多问题，我们想到了一种解决办法，就是封装成帧。一帧数据包含多个byte，而一个byte的数据包含多个bit（起始位、数据位等）。
三、自定义协议。
根据实际需求自定义协议。下面举个例子（非通用协议/准则），并以“域”来表示协议里面各个功能模块。
1、帧起始。
帧起始，一般以0x55或者0xaa作为起始的标志，为什么要用这种数字？
十六进制的5，转为二进制是0101；十六进制的A，转为二进制是1010。这样，0x55，就是01010101了。
0和1交替出现，一来方便接收方实现自适应波特率，二来避免干扰。
a、通过检测0和1之间的时间间隔，即可知道该帧数据的波特率。
b、如果设为0xff，那么，在总线上出现一个干扰，接收端很有可能误以为要接收数据。
2、命令域。
命令域，可以随意一点，如：设上行为0x1d，下行为0x3a，重传为0xb7，应答为0x89。
3、地址域（可选）。
地址域，也可以随意一点，如果所有设备的地址均不相同，那就只具备点对点的功能。
当然，你也可以视实际情况，把某几台设备的地址设为一样，这样就有点对多点的功能。
4、长度域（可选）。
如果是发送固定长度的帧，是可以不使用长度域；如果是不固定长度的帧，则可以加上。
4、数据域。
数据域，一般由数据个数和数据组成。
比如，你要传3个数，分别是0x00到0x02。那么数据域就是0x03 0x00 0x01 0x02。
5、校验域。
校验域，可以使用校验和或者CRC校验。如，使用CRC16算法话，校验域为2个byte。
一般除了帧起始和帧结束以外，都送进CRC校验。
好了，这样的话，我要发一个上行的数据，到地址为0x0a的设备，一共3个数据（固定长度），分别是0xa0，0xb0，0xc0。
那么一帧数据就是：0x55 0x1d 0x0a 0x03 0xa0 0xb0 0xc0 0x53 0xfb
只要把上面这一帧数据，一个byte一个byte地发送出去，即可。
使用CRC-16对该帧（除去帧起始）进行计算，可以得到0x53FB。如下图所示。
7、应答和重传。
如果接收端，收到一帧数据，经过CRC校验，数据正确，这时得传一帧简易的应答帧，以告诉主机，这个帧接收成功。
应答帧， 如：0x55 0x89 0xa6 0xc1。
如果接收端，收到一帧数据，经过CRC校验，发现数据有错，这时得传一帧简易的重传帧，以请求重传。
重传帧，如：0x55 0xb7 0x76 0x40。
看，串口的功能是不是强大了很多？
四、适用于FPGA的帧。
当然，要像上面那样强化串口的功能，还是用单片机来弄，比较轻松。
如果是FPGA的话，也有另外一种简单的封装成帧的方法。
先插入start和stop标志位，再存进FIFO里面，如下图所示。
最后再读出，解帧，即可。
这一招，也能用在传输图像，比如把一帧480*320的图像传到另一台设备上，就用上述方法把每一行封装成帧，这样，能在接收端解帧，就能还原出图像了。
当然，你还可以加上行数和列数，插在一帧数据里面，方面接收端解帧，这些都视实际需求而定。
五、缓冲区。
缓冲区，一般是FIFO，也可以是cache、内存或者硬盘之类的存储器。
有的单片机的串口，是带接收缓冲器的，此外，一些设备/芯片，也有缓冲区的，如Cy68013。
这时一定要注意缓冲器的大小，缓冲器会不会溢出，如果溢出，数据可能会出错（不要以为你一直发数据，接收端就一定能收到）。
六、总结。
上述方法，不局限于RS232，你还可以把它运用在RS485、I2C、SPI或一些并行总线。
不管是RS232、I2C、SPI，一般是以byte为单位，传输数据的。如果你想把12位的ADC数据，通过串口发到PC机，那么，你得分成两个byte，高位补零。（要考虑代码的可重用性）
从RS232到USB、以太网，不难看出，物理层/物理接口变化不大，而协议/数据链路层却越来越复杂。
这也说明了，传输数据的可靠性，不能过于依赖物理层，而应该依赖协议上的一些机制（校验、重传等）。
更详细的内容，可以参考《计算机网络基础》。
七、扩展阅读。
在《计算机网络基础》中提到数据链路层的三个基本问题：封装成帧，透明传输和差错控制。
上文已经提到了封装成帧和差错控制，但是没有透明传输。
为了实现透明传输，以避免数据部分出现帧定界，使用了字节填充的方法。
字节填充类似C语言中的转义字符，但是在串口通信中并没有使用字节填充，只用了封装成帧和差错控制已经实现了透明传输。
经过查阅资料，如下所示，确实不需要字节填充。
为什么要字节填充？
因为MAC帧（除了IEEE802.3）和PPP帧没有说明数据长度的字段，但又要兼容上层的各种协议，也就是说传输的字节数是不固定的，也不知道长度。所以才需要帧头、帧尾做界定符，同时使用字节填充来避免检测界定符时出错，最后再使用差错控制来保证通信的可靠性。
