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同步通信与异步通信区别_wind19的博客-CSDN博客

SPI、I2C、UART（即串口）三种串行总线详解_天糊土的博客-CSDN博客_串口总线

一、电子通信相关的概念

1、同步通信和异步通信

（1）同步通信

发送方和接收方按照同一个时钟节拍工作就叫同步通信。

同步通信中，通信双方按照统一节拍工作，所以配合很好。发送方给接收方发送信息的同时，会发送时钟信号，接收方根据发送方给它的时钟信号来安排自己的节奏。

当双方通信的频率固定（比如3ms收发一次）或者经常通信时，适合同步通信方式。

（2）异步通信

发送方和接收方按照自己的节拍工作就叫异步通信，异步通信又叫异步通知。

异步通信时，接收方不必一直在意发送方，发送方需要发送信息时，会首先给接收方一个表示信息开始的起始信号，接收方接收到起始信号后就认为后面紧跟着的就是有效信息，才会开始接收信息，直到收到发送方发过来的结束标志。

当双方通信的频率不固定时（比如有时3ms收发一次，有时3天才收发一次），适合异步通信方式。

2、电平信号和差分信号

这两个概念用来描述如何在通信线路上表达1和0。

（1）电平信号

电平信号的传输线中有一个参考电平线（一般是GND）。信号线上的信号值是由信号线电平和参考电平线的电压差决定。

（2）差分信号

差分信号的传输线中没有参考电平，所有传输线都是信号线，1和0的表达依靠信号线之间的电压差。

（3）两者区别

电平信号的2根通信线之间的电平差异容易受到干扰，传输容易失败。差分信号不容易受到干扰，因此传输质量比较稳定。现代通信一般都使用差分信号。

3、并行通信和串行通信

（1）两者的概念

串行、并行主要是考虑通信线的根数，就是发送方和接收方同时可以传递的信息量的多少。

比如在电平信号下，1根参考电平线+1根信号线可以传递1位二进制（这就是串行）；如果我们有3根线（2根信号线+1根参考线）就可以同时发送2位二进制（这就是并行）；如果想同时发送8位二进制就需要9根线。在差分信号下，2根线（彼此差分）可以发送1位二进制（这就是串行）；如果需要同时发送8位二进制，需要16根线（这就是并行）。

（2）串行的优点

串行接口一次只能发送1位二进制，而并行接口一次可以发送多位二进制，看起来并行接口似乎比串行接口要快与优秀，但实际上串行接口用得更广泛。这是因为串行通信更省信号线，而且对传输线的要求更低、成本更低。另外串行时可以通过提高通信速度来提高总体通信性能。

经过这么多年发展，最终胜出的是异步、差分、串行，比如USB和网络通信。

二、串口通信的基本概念

0、串口的名字

串口的官方名称叫“通用异步收发器”；

英文名是 universal asynchronous reciver and transmitter；

英文缩写是 uart；

中文简称 “串口”。

1、串口通信的特征

串口通信的特点是：异步、电平信号（后期都改为差分信号传输了）、串行。

（1）异步：串口通信的发送方和接收方之间没有统一的时钟信号。

（2）电平信号：串口通信出现时间早，速率较低，传输的距离较近，所以干扰还不太明显，因此当时使用了电平信号传输，但是后期出现的传输协议都改成差分信号传输了。

（3）串行通信：串口通信每次同时只能传输1个二进制位。

2、电平标准（RS232与TTL）

电平信号是用信号线电平减去参考线电平得到电压差，再由这个电压差决定传输值是1还是0。但是在电平信号时多少V代表1，多少V代表0不是固定的，取决于电平标准。

有两个电平标准，即RS232电平标准和TTL电平标准。

RS232电平标准中，-3V～-15V表示1，+3～+15V表示0。

TTL电平标准中，+5V表示1，0V表示0。

由此可知，RS232的电平定义比较大，适合干扰大、距离远的情况；TTL电平电压范围小，适合距离近且干扰小的情况。比如台式电脑后面的串口插座就是RS232接口的，在工业上用串口时都用这个，传输距离小于15米；TTL电平一般用在电路板内部两个芯片之间。

对编程来说，RS232电平传输还是TTL电平是没有差异的。所以电平标准对硬件工程师更有意义（把TTL电平和RS232电平混接是不可以的），而软件工程师只要略懂即可。

3、波特率

波特率（bandrate），指的是串口通信的速率，也就是串口通信时每秒钟可以传输多少个二进制位。比如每秒种可以传输9600个二进制位（传输一个二进制位需要的时间是1/9600秒，也就是104us），波特率就是9600。

串口通信的波特率不能随意设定，而应该选择某些特定的值，一般最常见的波特率是9600或者115200（低端单片机如51常用9600，高端单片机和嵌入式SoC一般用115200）。

为什么波特率不可以随便指定呢？第一，通信双方必须事先设定相同的波特率这样才能成功通信，如果发送方和接收方按照不同的波特率通信则根本收不到，因此波特率最好是大家熟知的而非随意指定的。第二，常用的波特率经过长久发展，就形成了共识，常用就是9600或者115200。

4、帧格式

串口通信时，收发是一个周期一个周期进行的，每周期传输n个二进制位。这一个周期就叫做一个通信单元，一个通信单元由“起始位+数据位+奇偶校验位+停止位”组成。

（1）起始位

起始位表示发送方要开始发送一个通信单元。起始位的定义是串口通信标准事先指定的，是由通信线上的电平变化来反映的。

（2）数据位

数据位是一个通信单元中发送的有效信息位。数据位是本次通信真正要发送的有效数据，串口通信一次发送多少位有效数据是可以设定的，一般可选的有6、7、8、9。但 99%情况下我们都是选择8位数据位。因为我们一般通过串口发送的文字信息都是ASCII码编码的，而ASCII码中一个字符刚好编码为8位。

（3）奇偶校验位

奇偶校验位是用来给数据位进行奇偶校验，也就是把待校验的有效数据逐个位的加起来，总和为奇数奇偶校验位就为1，总和为偶数奇偶校验位就为0，这可以在一定程度上防止位反转。

（4）停止位

停止位是发送方用来表示本通信单元结束标志的。停止位的定义是串口通信标准事先指定的，是由通信线上的电平变化来反映的。常见的有1位停止位，1.5位停止位，2位停止位等。99%情况下都是用1位停止位。

串口通信时因为是异步通信，通信双方必须约定好通信参数，这些通信参数包括：波特率、数据位、奇偶校验位、停止位（串口通信中起始位定义是唯一的，所以一般不用选择）。

5、单工通信、双工通信、半双工通信

对于通信双方A和B，如果只能A发送数据B接收数据，则叫单工通信。

对于通信双方A和B，如果同一时刻，只能由A发送数据B接收数据，或者由B发送数据A接收数据，则叫半双工通信。

对于通信双方A和B，如果同一时刻，A既可以发送数据也可以接收数据，B既可以发送数据也可以接收数据，则叫全双工通信。

三、串口通信的基本原理

1、三根通信线：Rx Tx GND

串口通信是有线通信，是通过串口线来通信的。通信线最少需要2根（GND和信号线），此时可以实现单工通信，也可以使用3根通信线（Tx、Rx、GND）来实现全双工。

一般开发板都会引出TTL电平的串口（但是X210开发板没有引出TTL电平的串口），每个串口引出3根线（Tx、Rx、GND），外观表现为插针式插座，可以用这些插座直接连接外部的TTL电平的串口设备，一般用来调试（比如海思开发板中的插针插座）。

2、收发双方事先规定好通信参数

串口通信本身不会去协商通信双方的通信参数，因此需要事先约定好通信参数，如波特率、数据位、奇偶校验位和停止位等等。任何一个关键参数设置错误都会导致通信失败，比如波特率调错了，发送方发送没问题，接收方也能接收，但是接收到的数据全是乱码。数据位、奇偶校验位、停止位也很重要，否则可能认不清数据。

3、信息以二进制流的方式在信道上传输

串口通信的发送方每隔一定时间（时间固定为1/波特率，单位是秒）将有效信息（1或者0）放到通信线上去，逐个比特位进行发送。

接收方通过定时（起始时间由读到起始位标志开始，间隔时间由波特率决定）读取通信线上的电平高低来区分内容是1还是0。依次读取数据位、奇偶校验位、停止位，停止位就表示这一个通信单元结束，然后中间是不定长短的非通信时间（发送方有可能紧接着就发送第二帧，也可能半天都不发第二帧，这就叫异步通信），然后接下来就是第二帧……

无论发送什么内容，都要事先对发送的内容进行二进制编码，然后再逐个比特位发送。串口发送的都是ASCII码编码后的字符（将各字符按照ASCII码编码成二进制），因此一般将数据位设为8位，方便一帧发送1个字符。

四、DB9接口简介

串行通信在早期是计算机与外界通信的主要手段，当时的计算机都配置有串口，以实现和外部的通信。当时就定义了一套标准的串口规范，DB9接口就是标准接口。

DB9接口中有9根通信线，其中3根很重要，为GND、Tx、Rx，必不可少，剩余6根都是和流控有关的。我们现在一般使用串口来做调试，需要禁用流控，不然可能发生未知问题。