01-PDU骨架拆解
3.1 PDU 骨架拆解
本节摘要：Modbus 报文在传输层之上叫 PDU（协议数据单元），就两个部分：功能码 + 数据。本节把 PDU 骨架拆开，讲清功能码的分类逻辑与"数据长度随功能码变化"的规则。位置：第 2 章知道了"读什么"，本章回答"用什么功能码、报文长什么样"。
PDU：功能码 + 数据
无论走串口还是 TCP，Modbus 的数据部分都遵循同一套 PDU 结构：
PDU = 功能码(1字节) + 数据(N字节，随功能码而定) 完整 ADU（应用数据单元）： 串口 RTU：地址(1) + PDU + CRC16(2) TCP ：MBAP头(7) + PDU
功能码按用途分三大类：位操作（01 读线圈、02 读离散输入、05 写单线圈、15 写多线圈）、寄存器操作（03 读保持、04 读输入、06 写单寄存器、16 写多寄存器）、诊断与扩展（07 读异常状态、08 诊断、43 封装接口等，100-110 留给用户自定义）。
功能码与数据长度的对应
| 功能码 | 含义 | 请求数据 | 响应数据 |
|---|---|---|---|
| 01 | 读线圈 | 起始地址(2)+数量(2) | 字节数(1)+位打包数据 |
| 03 | 读保持寄存器 | 起始地址(2)+数量(2) | 字节数(1)+寄存器字节 |
| 05 | 写单线圈 | 地址(2)+值(2, 0xFF00/0x0000) | 原样回显请求 |
| 06 | 写单寄存器 | 地址(2)+值(2) | 原样回显请求 |
| 15 | 写多线圈 | 地址(2)+数量(2)+字节数(1)+数据 | 地址(2)+数量(2) |
| 16 | 写多寄存器 | 地址(2)+数量(2)+字节数(1)+数据 | 地址(2)+数量(2) |
读操作响应里有个容易看漏的字段：字节数——它告诉接收方"后面跟着多少数据字节"，比如读 10 个寄存器返回 20 字节，这个"20"就是给解析器对齐用的。写单点（05/06）的响应是原样回显，主站拿回显与请求比对即可确认执行；写多点（15/16）响应只回地址与数量，不回数据。
一个完整的 03 读保持寄存器报文
请求：01 03 00 00 00 02 C4 0B 01=从站地址 03=读保持 0000=起始偏移 0002=读2个寄存器 C40B=CRC16 应答：01 03 04 0B B8 00 00 6B 91 01=从站地址 03=功能码 04=数据字节数 0BB8=3000 0000=0 6B91=CRC16
这个例子能对上第 2 章的点表：读偏移 0 的两个保持寄存器，一个回了 3000，一个回了 0。逐字节对着点表读一遍，胜过背十遍规范。
功能码在三种传输模式下的差异
同一功能码在 RTU、ASCII、TCP 三种载体下的 PDU 完全一致——这正是 Modbus 设计的精髓：PDU 与传输层解耦。差异只在包裹层：RTU 用 2 字节 CRC16 做校验、ASCII 用 LRC（1 字节）并把字节转成可见 ASCII、TCP 用 MBAP 头（无校验，靠 TCP 保证）。功能码、数据段、异常机制三者在三种模式下共享同一套实现，这是 Modbus 生态能同时覆盖串口与以太网的架构原因。
同一 PDU（读保持 40001，1 个寄存器）的三种形态： RTU : 01 03 00 00 00 01 84 0A ASCII : :010300000001F8\r\n （LRC=F8） TCP : 00 01 00 00 00 06 01 03 00 00 00 01 [事务][协议][长度][单元][PDU 原样]
位操作与寄存器操作的报文差异速查
| 维度 | 位操作（01/02/05/15） | 寄存器操作（03/04/06/16） |
|---|---|---|
| 单位 | 1 位 | 1 字（16 位） |
| 数据打包 | 8 位/字节，LSB 优先 | 2 字节/字，大端 |
| 单次上限 | 读 2000 位/写 1968 位 | 读 125 字/写 123 字 |
| 写值表示 | 0xFF00/0x0000 | 0x0000-0xFFFF |
用 hexdump 读报文的训练
解析 Modbus 报文是基本功，训练方法：拿一串原始 hex，先找地址与功能码，再按功能码查规范定长度，最后把数据解出来对照点表。
练习：解析以下 RTU 响应（从站 3，功能 03） 01 03 06 00 C8 01 90 00 0A 2F 9E 拆解： 地址=01 功能=03 字节数=06（3 个寄存器） 寄存器1=00C8=200 寄存器2=0190=400 寄存器3=000A=10 校验=2F9E（可离线验证）
把这类练习做十遍，抓包时一眼就能看出报文结构对不对，排障速度会明显提升。
易错点清单
- 把"数量"当"字节数"：03 请求里的数量是寄存器个数，应答里的字节数是寄存器个数×2，混淆会导致解析错位；
- 写单点的 0xFF00 记错：写线圈"通"必须传 0xFF00 而非 0x0001，传 0x0001 部分实现会拒绝；
- 自定义功能码不标版本：100-110 是用户区，跨厂商复用时必须在文档里声明，否则"能通"纯属巧合。
要点回顾：PDU=功能码+数据；读操作响应带字节数、写单点回显、写多点回地址数量；逐字节对照点表是理解报文的最佳路径。骨架清楚了，下一节把读写功能码逐条实战一遍。
实战复盘：自己拼帧 vs 用库拼帧
初学阶段手拼报文能加深理解，生产代码则应该用成熟库（libmodbus、pymodbus、Modbus Poll 等）。原因有三：库处理了边界（数量上限、字节数计算、超长帧分割）；库处理了校验（CRC 计算与验证、异常帧识别）；库处理了重试（超时、重发、从站忙的退避）。但用库不等于黑盒——理解 PDU 结构能帮你读库的日志与抓包，排障时能判断"是库的问题还是设备的问题"。
hexdump 训练的正确顺序
做报文解析训练时，按"找地址 → 找功能码 → 按功能码定长度 → 解数据 → 对照点表"的顺序，不要跳步。训练素材建议用真实抓包：把串口助手或 Wireshark 抓到的一帧帧保存下来，先自己解一遍再对照工具解析结果。练到"看到 01 03 00 00 00 02 C4 0B 能直接念出含义"的程度，现场排障的效率会有质的提升。
小结：PDU 与传输层解耦是 Modbus 跨载体通用的架构基础；按功能码查规范、逐字节解析训练是基本功。
