串行/并行通信

全雙工/半雙工/單工傳輸

同步/異步通信

通信速率

串口電平標(biāo)準(zhǔn)

串口傳輸協(xié)議

常見通信協(xié)議

串行/并行通信

按照數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆绞剑ㄐ趴梢苑譃榇型ㄐ藕筒⑿型ㄐ?。串行通信簡單的說就是數(shù)據(jù)依次傳輸，比如要傳輸0x11111111，一位一位的發(fā)送，需要發(fā)送8次。并行通信則是幾個(gè)數(shù)據(jù)一起傳輸，同樣是0x11111111，如果8位一起發(fā)送，只需要發(fā)送1次，如圖15.1.1所示。

由此可見，串行傳輸占用的通信線更少，成本低，通信速度相對(duì)較慢；并行傳輸占用的通信線多，成本高，通信速度相對(duì)更快。但隨著對(duì)傳輸速度要求越來越高，并行傳輸開始出現(xiàn)信號(hào)之間的干擾，串行通信受干擾影響較小，之后又發(fā)展出差分傳輸?shù)燃夹g(shù)，極大的提高了串行傳輸速率，使得串行通信速度可能比并行通信速度更快。

串行通信就像單車道，行駛的車輛需要依次行駛。并行通信就像多車道，同時(shí)多輛汽車并排行駛。但當(dāng)車速很快的時(shí)候，多車道上并列行駛的汽車之間會(huì)形成“氣流”相互干擾，單車道則受影響較小，速度能夠進(jìn)一步提升。

全雙工/半雙工/單工傳輸

按照數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆较颍ㄐ趴梢苑譃槿p工、半雙工和單工。全雙工指雙方都可以同時(shí)收發(fā)信息；半雙工雙方都可以收發(fā)信息，但同一時(shí)刻只能一方發(fā)送信息；單工指只能一方發(fā)信息，一方接受信息，通信是單向的。

全雙工就像電話通信，雙方任意時(shí)刻都可以同時(shí)收發(fā)信息；半雙工就像對(duì)講機(jī)通信，雙向都可得到信息，但是同一時(shí)刻只能是一方發(fā)射另一方接收，發(fā)射和接收不能同時(shí)進(jìn)行；單工就像收音機(jī)，只能由廣播站發(fā)送給收音機(jī)，單向不可逆的，如圖15.2.1所示。

同步/異步通信

按數(shù)據(jù)同步的方式，通信可以分為同步通信和異步通信。數(shù)據(jù)在雙方之間傳輸時(shí)，需要制定規(guī)則保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)臏?zhǔn)確。同步通信的做法是加一個(gè)時(shí)鐘信號(hào)，發(fā)送方和接收方在這個(gè)時(shí)鐘的節(jié)拍下傳輸數(shù)據(jù)，比如常見的SPI、I2C。而異步通信的做法是對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行封裝，在數(shù)據(jù)開頭加上起始信號(hào)，在數(shù)據(jù)結(jié)尾加上終止信號(hào)，雙方就按這個(gè)規(guī)則傳輸數(shù)據(jù)，比如UART、1-Wire。

因此，可以通過是否有時(shí)鐘信號(hào)，初步判斷是何種數(shù)據(jù)同步方式。

通信速率

對(duì)于同步通信，通信速率由時(shí)鐘信號(hào)決定，時(shí)鐘信號(hào)越快，傳輸速度就越快。

對(duì)于異步通信，需要收發(fā)雙方提前統(tǒng)一通信速率，這也就是我們串口調(diào)試時(shí)，波特率不對(duì)顯示亂碼的原因。

時(shí)鐘對(duì)通信的重要性，這里再舉個(gè)例子：假設(shè)發(fā)送端時(shí)鐘頻率為1Mhz，對(duì)應(yīng)時(shí)鐘周期則為1us,接收端時(shí)鐘頻率為10Mhz，對(duì)應(yīng)時(shí)鐘周期則為0.1us?，F(xiàn)在發(fā)送端發(fā)送一個(gè)數(shù)據(jù)0x1，就會(huì)產(chǎn)生一個(gè)持續(xù)時(shí)間為1us高電平，接收端接收到這個(gè)1us的高電平時(shí)，會(huì)當(dāng)作是10個(gè)0.1us的高電平，認(rèn)為收到了10個(gè)0x1。這時(shí)雙方數(shù)據(jù)就亂套了，因此需要一個(gè)統(tǒng)一的時(shí)鐘標(biāo)準(zhǔn)。

通常使用比特率來描述通信速率的快慢，與之容易混淆的是波特率。

比特率（Bitrate）：系統(tǒng)在單位時(shí)間內(nèi)傳輸?shù)谋忍匚唬ǘM(jìn)制0或1）個(gè)數(shù)，通常用Rb表示，單位是比特/秒（bit/s），縮寫為bps；

波特率（Baudrate）：系統(tǒng)在單位時(shí)間內(nèi)傳輸?shù)拇a元個(gè)數(shù)，通常用RB表示，單位是波特（Bd）；

100bit/s即是一秒鐘傳輸100個(gè)0或1，100Bd即是一秒鐘傳輸100個(gè)碼元。

碼元就是“承載信息量的基本信號(hào)單位”，以一條電線上傳輸?shù)男盘?hào)為例，碼元就是電線上的電平值。

如果電線上電平只有0和3.3V兩種選擇，傳輸?shù)男盘?hào)是這2種電平之一，碼元的狀態(tài)只有2種。接收方可以把0V認(rèn)為是二進(jìn)制的0，把3.3V認(rèn)為是二進(jìn)制1。即：傳輸1個(gè)碼元時(shí)，能用來表示1位數(shù)據(jù)。

如果電線上電平有0V、3.3V、5V、12V四種選擇，傳輸?shù)男盘?hào)是這4種電平之一，碼元的狀態(tài)有4種。接收方可以把這4個(gè)電平認(rèn)為是二級(jí)制的4個(gè)值：00、01、10、11。即：傳輸1個(gè)碼元時(shí)，能用來表示2位數(shù)據(jù)。

因此碼元狀態(tài)為2時(shí)，比特率等于波特率，碼元狀態(tài)越多，每次傳輸?shù)拇a元能攜帶的信息越多，自然速率也越高。

碼元有N個(gè)狀態(tài)時(shí)，比特率與波特率的關(guān)系式：

串口電平標(biāo)準(zhǔn)

說到串口，經(jīng)常提到TTL、RS232、RS422、RS485，簡單的說，就是為了適應(yīng)不同的環(huán)境條件，使用了不同的電平標(biāo)準(zhǔn)。假如微處理器和板載的藍(lán)牙透傳模塊通信時(shí)，一般就使用TTL電平，引腳直接連接即可。假如微處理器在工業(yè)現(xiàn)場，需要連接一個(gè)幾十米外的裝置，則應(yīng)該考慮將TTL電平轉(zhuǎn)為RS232、RS422、RS485。

如下表15.5.1是幾個(gè)通信接口標(biāo)準(zhǔn)總結(jié)?？梢园l(fā)現(xiàn)為了加大傳輸距離，人們依次嘗試了增加電壓、差分傳輸?shù)确绞健?/p>

串口傳輸協(xié)議

以TTL電平的接口為例講解串口怎么傳輸數(shù)據(jù)，對(duì)于RS232/RS422/RS485等接口，僅僅是把TTL電平轉(zhuǎn)換為不同的電平值，或者轉(zhuǎn)換為差分信號(hào)。

TTL接口的串口，硬件連接如圖15.6.1所示。

串口傳輸中的一些概念如下：

波特率：一般選波特率都會(huì)有9600,19200,115200等選項(xiàng)。其實(shí)意思就是每秒傳輸這么多個(gè)比特位數(shù)(bit)；

起始位：先發(fā)出一個(gè)邏輯”0”的信號(hào)，表示傳輸數(shù)據(jù)的開始；

數(shù)據(jù)位：可以是5~8位邏輯”0”或”1”，先傳輸bit0，在傳輸bit1，依次類推；

校驗(yàn)位：數(shù)據(jù)位加上這一位后，使得“1”的位數(shù)應(yīng)為偶數(shù)(偶校驗(yàn))或奇數(shù)(奇校驗(yàn))，以此來校驗(yàn)數(shù)據(jù)傳送的正確性。校驗(yàn)位是可選的，可以不傳輸；

停止位：它是一個(gè)字符數(shù)據(jù)的結(jié)束標(biāo)志，數(shù)據(jù)線變回邏輯”1”；

怎么發(fā)送一字節(jié)數(shù)據(jù)，比如“A”？“A”的ASCII值是0x41，二進(jìn)制就是01000001，怎樣把這8位數(shù)據(jù)發(fā)送給對(duì)方呢？

雙方約定好波特率、數(shù)據(jù)格式(數(shù)據(jù)位個(gè)數(shù)、停止位個(gè)數(shù)、是否使用校驗(yàn)位、奇校驗(yàn)還是偶校驗(yàn))，假設(shè)數(shù)據(jù)位是8，停止位是1，校驗(yàn)位是1；

初始電平為邏輯1；

發(fā)送方輸出邏輯0，并保持1位的時(shí)間；接收方檢測到邏輯0，就知道對(duì)方準(zhǔn)備發(fā)送數(shù)據(jù)了；

發(fā)送方根據(jù)數(shù)據(jù)的bit0設(shè)置引腳電平，并保持1位的時(shí)間；接收方讀取引腳電平，得到bit0；

發(fā)送方根據(jù)數(shù)據(jù)的bit1設(shè)置引腳電平，并保持1位的時(shí)間；接收方讀取引腳電平，得到bit1；

以此類推，發(fā)出8位數(shù)據(jù)；

發(fā)送方計(jì)算出校驗(yàn)值，設(shè)置引腳，并保持1位的時(shí)間；接收方讀取引腳電平，得到校驗(yàn)值；注意，這步可以省略；

發(fā)送方輸出邏輯1，并保持1位的時(shí)間；接收方讀取引腳電平，知道數(shù)據(jù)傳輸結(jié)束；

信號(hào)的波形圖如圖15.6.2所示。

常見通信協(xié)議

在嵌入式中，有眾多通信協(xié)議，往往從性能、成本、穩(wěn)定性、易用性等角度考慮選擇合適的協(xié)議。常見的通信協(xié)議如表15.7.1所示。