При последовательной передаче данных данные передаются последовательно по одной линии связи (рис. 1)
Рис. 1.  
Это означает, что на передачу одного бита информации отводится интервал времени . Логическая "1" в простейшем случае кодируется напряжением , логический "0" — отсутствием напряжения. В процессе передачи одного бита линия на время переводится в соответствующее состояние. По истечении периода , линия переводится в состояние, соответствующее передаче следующего бита и так далее.
В последовательном обмене всегда участвуют два устройства: приемник и передатчик (рис. 2).
Рис. 2.  
Данные передаются от передатчика (он формирует на линии напряжение) к приемнику (он анализирует напряжение на линии). Таким образом, участники обмена всегда определены заранее путем соответствующего подключения линии связи.
Различают три основных разновидности последовательного обмена:
  1. Симплексный обмен. Данные передаются только в одном направлении.
  2. Полудуплексный обмен. Данные могут передаваться в обоих направлениях, но не одновременно (поочередно).
  3. Дуплексный (полнодуплексный) обмен — данные могут передаваться одновременно в обоих направлениях.
Существуют два основных способа управления последовательным обменом: синхронный и асинхронный.
При синхронном последовательном обмене, по линии связи передаются только данные в формате, представленном на рис. 1. Порция данных, передаваемая передатчиком за один прием, называется символом. Как правило, символ содержит от 5 до 8 бит информации.
При последовательном синхронном обмене информация о моменте начала передачи поступает в передатчик и приемник одновременно от некоего внешнего источника (рис. 3)
Рис. 3.  
Приемник и передатчик одновременно (синхронно) начинают работать. После начала передачи данные передаются непрерывно. Момент окончания передачи не оговаривается.
Недостатком синхронного способа обмена является возможность рассинхронизации приемника и передатчика. Как следует из рис. 1, каждый бит передается в течение времени . Период задается специальным тактовым генератором. Естественно, приемник и передатчик имеют разные тактовые генераторы. И их частоты могут незначительно отличаться (вследствие неизбежных отклонений параметров электронных элементов). Следовательно, периоды в приемнике и передатчике с большой степенью вероятности будут слегка отличаться. Через определенное время после начала передачи это неизбежно приведет к рассинхронизации работы приемника и передатчика и к потере информации (приемник может пропустить один бит или дважды принять один и тот же бит).
Выходом из положения могла бы стать передача по второй линии связи тактовых импульсов передатчика приемнику. Однако такой способ не дает ощутимых результатов при передаче на значительные расстояния, так как в линии передачи синхроимпульсов возникают искажения, приводящие опять же к рассинхронизации.
Таким образом, синхронная последовательная передача имеет ряд недостатков:
  1. Сложность синхронизации начала и окончания передачи.
  2. Постепенная рассинхронизация приемника и передатчика.
Асинхронный метод последовательного обмена был разработан с целью устранения указанных недостатков. При асинхронном обмене информация передается кадрами, каждый кадр состоит из информационных бит, образующих символ, и служебных бит, определяющих момент начала и окончания передачи символа (рис. 4)
Рис. 4.  
При отсутствии передачи, на линии поддерживается состояние логической "1". Стартовый бит всегда имеет значение логического "0". Таким образом, переход линии из состояния "1" в состояние "0" (передача стартового бита) является признаком начала передачи данных. По началу стартового бита производится синхронизация приемника и передатчика, таким образом, при асинхронном последовательном обмене синхронизация приемника и передатчика происходит в начале передачи каждого кадра.
Стоп-бит всегда имеет значения логической "1". Он как бы возвращает линию в состояние отсутствия передачи. Длительность передачи стопового бита может быть , или (часто говорят "один", "полтора" или "два стоп-бита"). Несмотря на то, что кадр состоит всего из 10 бит, в процессе его передачи может возникнуть рассинхронизация (по причинам, описанным выше). При очень большой разнице приемника и передатчика, потеря бита может произойти даже на 10 битах. Во избежание этого, длительность стопового бита увеличивают, так как он обязательно должен быть обнаружен после последнего информационного бита. Увеличение длительности стопового бита позволяет также "защитить" стартовый бит следующего кадра от потери. Если приемник не обнаруживает стоп-бит, фиксируется "ошибка кадра" и весь кадр считается принятым с искажением.
По сравнению с синхронным методом, асинхронный имеет меньшую скорость передачи данных, так как кроме собственно информационных приходится передавать еще и служебные биты.