关于 UART 你需要提前了解的东西
UART 按照一个个字节发送和接收数据，而协议中的一个数值可能占用一个字节，也可能分布在多个字节中。因此，在学习 UART 数据收发和协议解析之前，需要先理解进制、整数类型和位运算。
1. 关于进制
计算机中的数据最终都以二进制形式储存，也就是由 0 和 1 组成。我们平时最熟悉的是十进制，而在单片机开发中还经常使用十六进制。
那么对于数字 1010101，我们怎么知道这是一个二进制数字，还是一个十进制数字，还是一个十六进制数字呢？
在代码中，我们通常有如下约定：
- 二进制数字：在前面加入
0b，例如0b1010101。 - 十进制数字：通常不加入前缀，例如
1010101。 - 十六进制数字：在前面加入
0x，例如0x1010101。
十六进制采用“逢 16 进 1”。一位十六进制数需要表示 0～15，但我们熟悉的数字符号只有 0～9，因此用字母 A～F 表示 10～15：
| 二进制 | 十进制 | 十六进制 | 二进制 | 十进制 | 十六进制 |
|---|---|---|---|---|---|
| 0000 | 0 | 0 | 1000 | 8 | 8 |
| 0001 | 1 | 1 | 1001 | 9 | 9 |
| 0010 | 2 | 2 | 1010 | 10 | A |
| 0011 | 3 | 3 | 1011 | 11 | B |
| 0100 | 4 | 4 | 1100 | 12 | C |
| 0101 | 5 | 5 | 1101 | 13 | D |
| 0110 | 6 | 6 | 1110 | 14 | E |
| 0111 | 7 | 7 | 1111 | 15 | F |
代码中的十六进制字母也可以写成小写，例如 0xAF 和 0xaf 表示同一个数。
十六进制和二进制之间存在一种很方便的转换关系：一位十六进制数正好对应四位二进制数。这是因为四位二进制数共有 2⁴ = 16 种不同的组合，正好可以表示 0～15。
转换时，从二进制数的右侧开始，每四位分为一组，再分别转换成一位十六进制数。例如：
0b10110101
1011 0101
B 5
所以：0b10110101 = 0xB5 = 181
其中，低四位 0101 表示 5，对应十六进制的 5；高四位 1011 表示 11，对应十六进制的 B。
如果最高一组不足四位，可以在左侧补 0。例如：
0b101101 = 0b0010 1101 = 0x2D
反过来，把十六进制转换为二进制时，只需要把每一位十六进制数展开成四位二进制数。例如：
0x3A = 0b0011 1010
在本文讨论的单片机环境中，一个二进制位称为一个 bit（位），8 个 bit 组成一个 byte（字节）。我们常说一段数据有多少字节，就是在描述这段数据的大小，也就是它占用的存储空间。例如，2 字节的数据包含 16 个二进制位。
由于一位十六进制数对应 4 个 bit，所以一个 byte 可以用两位十六进制数表示。例如，二进制的 0b11111111 可以写成十六进制的 0xFF。在查看 UART 收发数据时，使用十六进制通常比直接查看二进制更简洁。
2. 数据类型
在讲数据类型之前，我们还是要明确：计算机存储数据的方式都是二进制位，任何数据类型最底层都表现为一串 0 和 1。
char
char 常用来表示字符，也可以用来存储较小的整数。它的大小是 1 byte。在本文讨论的单片机环境中，也就是 8 bits。
8 位二进制数字能表示 2⁸，也就是 256 种不同的位模式。按无符号整数解释时，对应的数值是 0～255。字符编码规定了数值和字符之间的对应关系，但这不意味着一个 char 能表示任意字符，例如 UTF-8 编码的汉字通常需要多个字节。普通 char 是否有符号取决于编译器和目标平台。
int
下面来讲讲 int。
在常见的 32 位单片机环境中，int 的大小是 4 bytes，也就是 32 bits。32 个二进制位共有 2³² = 4,294,967,296 种不同的位模式。作为对比，如果用 32 位无符号整数从 0 开始计数，每 1 ms 增加 1，大约 49.7 天后才会回绕到 0。
但是，有一个问题：全为 0 的二进制位表示 0，那么如何用 int 去表示负数呢？
在本文讨论的单片机环境中，有符号整数使用补码表示。对于 32 位的 int，最高位为 0 表示非负数，最高位为 1 表示负数。
那么，给你一个 int 的二进制形式，怎么把它转化为十进制呢？计算方式如下：
数值 = −最高位 × 2³¹ + 后面 31 位表示的无符号数
示例如下（省略号表示中间重复的位，总位数为 32）：
0b100…000：−2³¹ + 0 = −2147483648。0b100…001：−2³¹ + 1 = −2147483647。0b111…111：−2³¹ + (2³¹ − 1) = −1。
最高位如果是 0，后面 31 位表示的二进制数字就等于实际的数值。因此，32 位有符号 int 的范围为 −2147483648～2147483647。
固定位宽的整数类型
在单片机中，用来存储整数的类型不止 int 一种，还有如下几种常用类型，可通过 #include <stdint.h> 使用：
uint8_t, uint16_t, uint32_t;
int8_t, int16_t, int32_t;
可以看到，有些类型最前面有 u，有些没有。我们拿 uint8_t 和 int8_t 进行对比。
uint8_t 前面的 u 代表 unsigned，中文意思是“无符号”。这里的符号就是正负号，无符号的意思就是这个数据类型只能表示非负数字，也就是最小值是 0；int 表示整数；而 8 代表这个数据类型的位宽是 8 位，也就是 1 byte。它能表示的数字范围是 0～255。
int8_t 前面没有 u，代表它能表示负数。数据类型的大小同样是 8 位，也就是 1 byte，但是它能表示的数字范围是 −128～127。
对比可以发现，int8_t 实际上就是把 256 种二进制形式切成了两半，一半表示负数，另一半表示非负数，代价就是能表示的正数上限变小了。
这里 int8_t 表示负数的机制和上面的 32 位 int 是一致的：最高位如果是 0，就是非负数；是 1，就是负数。转化为十进制的公式为：
数值 = −最高位 × 2⁷ + 后面 7 位表示的无符号数
uint16_t、int16_t、uint32_t、int32_t 也是同样的道理。
下面将无符号类型放在左侧，有符号类型放在右侧，对比它们的大小和数值范围：
| 无符号类型（uint） | 大小 | 数值范围 | 有符号类型（int） | 大小 | 数值范围 |
|---|---|---|---|---|---|
uint8_t |
8 位 / 1 字节 | 0～255 | int8_t |
8 位 / 1 字节 | −128～127 |
uint16_t |
16 位 / 2 字节 | 0～65535 | int16_t |
16 位 / 2 字节 | −32768～32767 |
uint32_t |
32 位 / 4 字节 | 0～4294967295 | int32_t |
32 位 / 4 字节 | −2147483648～2147483647 |
注意：int 的大小取决于平台，并非所有单片机上的 int 都是 32 位。在 int 为 32 位的平台上，它与 int32_t 的大小和数值范围一致；需要明确位宽时，优先使用上述固定位宽类型。
3. 位运算
这一部分运算是关于二进制位的操作。
a) 位移运算
左移
使用符号 <<。
对一个数字使用左移运算，会使这个数的二进制位整体向左移动，右侧空出的位置补 0。
例如：
0b10010010 （146）
左移 2 位
0b1001001000 （584）
在 C 代码中，移位运算前会先进行整数提升。在常见的 32 位单片机环境中，int8_t、uint8_t、int16_t、uint16_t 都会提升为 int，再进行移位。
对于需要整数提升的类型，如果 int 能表示原类型的所有值，就提升为 int；否则提升为 unsigned int。已经是 int、unsigned int 或位宽更大的整数类型，不会因为移位而自动变成更宽的类型。
例如，下面的计算在常见的 32 位单片机环境中按 32 位进行，结果不会在第 8 位截断：
uint8_t data = 0x92; // 0b10010010，即 146
int result = data << 2; // 0b1001001000，即 584
实际编程时，左移通常用于非负整数。负的有符号整数不能进行左移；非负的有符号整数左移后如果超出类型的表示范围，结果也是未定义的。无符号整数左移时，超出类型位宽的高位会被舍弃。需要按 32 位无符号数进行移位时，可以先转换为 uint32_t，例如 (uint32_t)data << 24。
右移
使用符号 >>。
对一个数字使用右移运算，会使这个数的二进制位整体向右移动，移出的低位被舍弃，左侧空出的位置按规则补 0 或 1。
右移有两种方式：
- 逻辑右移：左侧空出的位置一律补 0。
- 算术右移：保留符号，正数和 0 补 0，负数补 1。
在常见单片机编译器中，可以这样理解 >>：无符号数右移补 0；有符号数采用算术右移，正数和 0 补 0，负数补 1。 有符号正数的算术右移与逻辑右移结果相同。
需要注意，在 C17 及更早的 C 语言标准中，有符号负数右移的具体行为由编译器决定。常见单片机编译器一般采用高位补 1 的算术右移，实际项目中应以所用编译器的说明为准。
只有有符号负数在算术右移时才补 1，不能仅凭原数据的最高位是 1，就把它当作负数。 例如，同样的 8 位模式 0b10000000，在 uint8_t 中表示 128，在 int8_t 中表示 −128：
uint8_t a = 0x80; // 0b10000000，表示 128
int8_t b = -128; // 8 位补码为 0b10000000，表示 -128
int8_t c = 64; // 0b01000000，表示 64
// 以下只展示移位前后的低 8 位，负数按补码解读
int x = a >> 2; // 0b10000000 → 0b00100000，补 0，结果为 32
int y = b >> 2; // 0b10000000 → 0b11100000，补 1，结果为 -32
int z = c >> 2; // 0b01000000 → 0b00010000，补 0，结果为 16
逻辑右移在嵌入式中也很常用，例如将无符号数据的高几位移动到低位，便于解包 UART 数据。
b) 位与运算
比如两个二进制数字：a = 0b01001101，b = 0b01100110。通过位与运算 &，产生一个新的数字 c = 0b01000100。
只有 a 和 b 相同位置都是 1，新的数字的该位置才是 1，否则是 0。
| 数字 | 第 7 位 | 第 6 位 | 第 5 位 | 第 4 位 | 第 3 位 | 第 2 位 | 第 1 位 | 第 0 位 |
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
a |
0 | 1 | 0 | 0 | 1 | 1 | 0 | 1 |
b |
0 | 1 | 1 | 0 | 0 | 1 | 1 | 0 |
c = a & b |
0 | 1 | 0 | 0 | 0 | 1 | 0 | 0 |
红色标出了第 6 位和第 2 位：这两个位置的 a 和 b 都是 1，所以结果也为 1。
c) 位或运算
还是两个数字：a = 0b01001101，b = 0b01100110。通过位或运算 |，产生一个新的数字 c = 0b01101111。
只要 a 和 b 相同位置至少有一个是 1，新的数字的该位置就是 1，否则是 0。
| 数字 | 第 7 位 | 第 6 位 | 第 5 位 | 第 4 位 | 第 3 位 | 第 2 位 | 第 1 位 | 第 0 位 |
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
a |
0 | 1 | 0 | 0 | 1 | 1 | 0 | 1 |
b |
0 | 1 | 1 | 0 | 0 | 1 | 1 | 0 |
c = a | b |
0 | 1 | 1 | 0 | 1 | 1 | 1 | 1 |
红色标出了 a 或 b 中为 1 的位，以及这些位经过位或运算后得到的结果。