UART 协议与 YMODEM 协议解析

liuluyang530

592人浏览 · 2026-06-16 10:40:37

liuluyang530 · 2026-06-16 10:40:37 发布

UART 是底层串行传输协议，YMODEM 是建立在 UART 之上的文件传输应用层协议（常用于嵌入式 Bootloader/IAP 固件升级）。下面分两部分详解。

第一部分：UART 协议解析

一、UART 基本概念

UART（Universal Asynchronous Receiver/Transmitter，通用异步收发器）是一种异步、全双工、串行通信协议。

特性	说明
同步方式	异步（无独立时钟线，靠约定波特率）
通信方式	全双工
线数	最少 2 根：TX（发送）+ RX（接收），共地
数据方向	TX↔RX 交叉连接

Apply

设备A              设备B
 TX ───────────────► RX
 RX ◄─────────────── TX
 GND ────────────── GND

二、UART 帧格式（核心）

UART 没有时钟线，收发双方必须事先约定相同的波特率，并按固定帧格式收发。

空闲(高) │起始位│ D0 D1 D2 D3 D4 D5 D6 D7 │校验位│停止位│ 空闲(高)
  ─────┐ ┌──────────────────────────────────────┐ ┌────
       └─┘  LSB                            MSB    └─┘
       起始   ←──────── 数据位 ────────→  奇偶  停止
       (低)        (低位先发,LSB first)    校验  (高)

1. 各字段说明

字段	位宽	说明
空闲态	—	高电平（逻辑 1）
起始位	1 bit	固定为低电平 0，标志一帧开始
数据位	5~9 bit（常用 8）	LSB 先发（低位在前）
校验位	0 或 1 bit	奇校验/偶校验/无校验
停止位	1 / 1.5 / 2 bit	固定为高电平 1，标志一帧结束

2. 常见配置表示法

如 "115200 8N1" 表示：

波特率 115200 bps
8 个数据位
N = No parity（无校验）
1 个停止位

三、波特率与采样

1. 波特率（Baud Rate）

每秒传输的位数（bps）。常见值：9600、19200、38400、57600、115200。

每一位的时间： tbit=1波特率tbit=波特率1

例：115200 bps → 每位约 8.68 µs。

2. 接收采样机制

接收方通常以 16 倍波特率过采样：

检测到起始位下降沿后，延迟半个位时间
在每个数据位的中点采样（最稳定）

起始位下降沿检测 → 等待 0.5 bit → 在每 bit 中央采样
              ↓
SDA  ─┐    ┌─x─┐    ┌─x─┐
      └─x─┘    └─x─┘
       ↑采样点在每位中心

四、UART 数据解析示例

假设接收到一帧，约定 8N1，要传输字符 'A'（ASCII = 0x41 = 二进制 0100_0001）：

时序	电平	含义
空闲	1	总线空闲
起始位	0	帧开始
D0	1	bit0（LSB）
D1	0	bit1
D2	0	bit2
D3	0	bit3
D4	0	bit4
D5	0	bit5
D6	1	bit6
D7	0	bit7（MSB）
停止位	1	帧结束

还原：LSB first，读出顺序 D0→D7 = 1000_0010，倒序得 0100_0001 = 0x41 = 'A' ✓

关键：UART 是 LSB 先发，解析时要把采样位序反过来组成字节。

五、UART 常见信号线（含流控）

信号	全称	作用
TX	Transmit	发送数据
RX	Receive	接收数据
RTS	Request To Send	请求发送（流控）
CTS	Clear To Send	允许发送（流控）
GND	Ground	共地（必须）

多数嵌入式应用只用 TX/RX/GND 三线。

六、UART 常见错误

错误	原因
帧错误（Framing Error）	停止位不是高电平（波特率不匹配）
奇偶校验错误	校验位不符
溢出错误（Overrun）	接收缓冲未及时读取，新数据覆盖
乱码	波特率设置错误是最常见原因

第二部分：YMODEM 协议解析

一、YMODEM 概述

YMODEM 是基于串口（UART）的文件传输协议，是 XMODEM 的增强版，广泛用于嵌入式设备固件升级（Bootloader/IAP）。

特性	说明
传输介质	UART 串口
数据块大小	128 字节或 1024 字节（1K-YMODEM）
校验方式	CRC-16
流程控制	接收方主动发起（发 'C' 请求）
增强点	支持文件名、文件大小传输；支持批量文件

二、YMODEM 关键控制字符

字符	值（Hex）	含义
SOH	0x01	数据块开始（128 字节数据块）
STX	0x02	数据块开始（1024 字节数据块）
EOT	0x04	传输结束（End of Transmission）
ACK	0x06	应答（正确接收）
NAK	0x15	非应答（错误，要求重传）
CAN	0x18	取消传输
C	0x43	接收方请求开始（'C' 表示用 CRC 校验）

三、YMODEM 数据包格式

┌─────┬──────┬──────────┬──────────────┬─────────┐
│ 包头 │ 包序号│ 包序号反码 │   数据区      │ CRC-16  │
│ 1字节│ 1字节 │  1字节    │ 128/1024字节  │  2字节  │
└─────┴──────┴──────────┴──────────────┴─────────┘
 SOH/STX  SEQ   ~SEQ        Data           CRC

字段	字节	说明
包头	1	SOH(0x01)=128字节包 / STX(0x02)=1024字节包
包序号	1	从 0 开始递增（0,1,2,...，回绕到0）
序号反码	1	包序号取反（= 255 - SEQ），用于校验
数据区	128/1024	实际数据，不足填充（常用 0x1A 或 0x00）
CRC-16	2	对数据区做 CRC16-CCITT 校验，高字节在前

四、YMODEM 传输完整流程

YMODEM 分三个阶段：起始帧（文件信息）→ 数据帧 → 结束帧。

整体流程图

接收方(R)                          发送方(S)
   │                                  │
   │──────────  'C' ─────────────────►│  请求开始(CRC模式)
   │                                  │
   │◄────── 第0包(文件名+大小) ────────│  起始帧
   │─────────── ACK ─────────────────►│
   │─────────── 'C' ─────────────────►│  请求数据
   │                                  │
   │◄────── 第1包(数据) ──────────────│  数据帧
   │─────────── ACK ─────────────────►│
   │◄────── 第2包(数据) ──────────────│
   │─────────── ACK ─────────────────►│
   │            ......                 │
   │◄────────── EOT ──────────────────│  发送结束
   │─────────── NAK ─────────────────►│  (第一次回NAK)
   │◄────────── EOT ──────────────────│
   │─────────── ACK ─────────────────►│
   │─────────── 'C' ─────────────────►│  请求下一个文件
   │                                  │
   │◄────── 第0包(全0,空文件名) ───────│  结束帧(批次结束)
   │─────────── ACK ─────────────────►│  传输完成

1. 起始帧（第 0 包）—— 文件信息

YMODEM 相比 XMODEM 最大的改进：第 0 包传输文件名和大小。

SOH 0x00 0xFF │ 文件名\0 文件大小(ASCII)\0 填充... │ CRC16

数据区内容示例：

"firmware.bin" 0x00 "102400" 0x00 0x00 0x00 ...（填充至128字节）
   文件名      分隔   文件大小   分隔    填充

字段	说明
文件名	ASCII 字符串，以 \0 结尾
文件大小	十进制 ASCII 字符串，以 \0 结尾（如 "102400"）
填充	剩余字节填 0

接收方据此预先知道文件名和总大小，可分配空间、显示进度。

2. 数据帧（第 1~N 包）

SOH/STX │ SEQ │ ~SEQ │ 数据(128/1024) │ CRC16

包序号从 1 开始递增
每收到一包，接收方校验 CRC 和序号：
- 正确 → 回 ACK，请求下一包
- 错误 → 回 NAK，要求重传
最后一包数据不足时，用 0x1A（CTRL-Z） 填充

3. 结束帧

(1) 单个文件结束：EOT

发送方 → EOT(0x04)
接收方 → NAK         （第一次故意回 NAK）
发送方 → EOT(0x04)   （再发一次）
接收方 → ACK         （确认）

双重 EOT 握手是为了可靠确认传输结束。

(2) 批次结束帧（空包）

所有文件传完后，发送方再发一个第 0 包，但文件名为空（全 0）：

SOH 0x00 0xFF │ 0x00 0x00 ... 0x00（全0）│ CRC16

接收方回 ACK，整个传输会话结束。

五、CRC-16 校验算法

YMODEM 使用 CRC-16/CCITT（多项式 0x1021，初值 0x0000）：

uint16_t crc16_ccitt(uint8_t *data, uint16_t len)
{
    uint16_t crc = 0x0000;
    for (uint16_t i = 0; i < len; i++) {
        crc ^= (uint16_t)data[i] << 8;
        for (uint8_t j = 0; j < 8; j++) {
            if (crc & 0x8000)
                crc = (crc << 1) ^ 0x1021;
            else
                crc = crc << 1;
        }
    }
    return crc;
}

CRC 存放在数据包末尾 2 字节，高字节在前（大端）。

六、YMODEM 数据包解析示例

假设抓到一个起始帧（传输 app.bin，大小 1024 字节）：

偏移	字节	解析
0	0x01	SOH，128 字节包
1	0x00	包序号 = 0（起始帧）
2	0xFF	序号反码（0xFF = ~0x00）✓
3~9	61 70 70 2E 62 69 6E	"app.bin"
10	0x00	文件名结束符
11~14	31 30 32 34	"1024"（文件大小 ASCII）
15	0x00	分隔符
16~130	00...00	填充
131~132	xx xx	CRC-16

接收方解析后得知：文件名 app.bin，大小 1024 字节，回 ACK + 'C' 开始接收数据。

七、UART 与 YMODEM 的层次关系

┌─────────────────────────────────────┐
│  应用层：YMODEM 文件传输协议           │
│  (数据包、序号、CRC、ACK/NAK、文件名)   │
├─────────────────────────────────────┤
│  物理/链路层：UART                     │
│  (起始位、数据位、校验位、停止位、波特率) │
├─────────────────────────────────────┤
│  硬件：TX / RX / GND 线               │
└─────────────────────────────────────┘

YMODEM 的每个字节（SOH、SEQ、数据、CRC...）都是通过 UART 一帧一帧（8N1）发送出去的。UART 负责"怎么传一个字节"，YMODEM 负责"怎么把字节组织成可靠的文件传输"。

八、典型应用：Bootloader 固件升级

嵌入式 IAP 升级流程：

1. 设备上电进入 Bootloader
2. Bootloader 通过 UART 不断发送 'C'
3. PC 端（如 SecureCRT/Xshell）选择 YMODEM 发送固件
4. 设备按 YMODEM 协议接收数据包
5. 每收到一包，CRC 校验通过后写入 Flash
6. 接收完成（结束帧），校验整体，跳转到 App 运行

SecureCRT、Xshell、Tera Term、sb/rb（Linux lrzsz 工具）都支持 YMODEM 发送/接收。

九、UART vs YMODEM 对比总结

维度	UART	YMODEM
层次	物理/链路层	应用层
传输单位	1 字节（1 帧）	1 数据包（128/1024字节）
可靠性	仅奇偶校验	CRC-16 + 序号 + ACK/NAK 重传
文件信息	无	支持文件名、大小
流控	硬件 RTS/CTS	ACK/NAK 软件握手
用途	通用字节传输	文件/固件传输

十、总结

协议	一句话总结
UART	异步串行，约定波特率，起始位(0)+数据位(LSB先发)+校验位+停止位(1) 构成一帧，负责"可靠地传一个字节"
YMODEM	建立在 UART 之上的文件传输协议，起始帧传文件名/大小 → 数据帧(带序号+CRC) → ACK/NAK 重传 → EOT/空帧结束，负责"可靠地传整个文件"