（嵌入式八股）第6章 通信协议(二)（后续通信协议相关会持续补充在这里）

6.11 同步通信与异步通信的区别

同步通信（Synchronous Communication）

同步通信是指数据传输过程中，发送方和接收方使用一个共同的时钟信号来同步传输和接收数据。在这种通信方式下，双方的时钟频率和相位必须严格一致，以确保数据在正确的时间点传输。

异步通信（Asynchronous Communication）

异步通信则不依赖于共同的时钟信号进行同步。每个数据传输单元（数据帧）由发送方和接收方在不共享时钟的情况下进行传输。为了正确传输数据，数据帧中会包含特定的控制位，如起始位和停止位，用于标识数据的开始和结束。

同步通信与异步通信的主要区别

总结

• 同步通信适用于高效、实时、快速的数据传输场景，它要求发送方和接收方的时钟同步，因此具有较高的传输效率，但对时序的要求较严格。
• 异步通信则不依赖于共享时钟，通信双方通过控制位来保证数据的准确传输，灵活性较高，但效率较低，适合低速、简单的通信场景。

6.12 UART和USART

什么是UART？

UART（Universal Asynchronous Receiver/Transmitter）是常见的串行通信协议，用于数据传输。它通常用于在计算机与外部设备（如微控制器、传感器、GPS模块等）之间进行通信。UART工作方式是异步通信，这意味着它不需要外部时钟信号来同步发送和接收数据。

UART工作原理

UART协议的工作原理是将并行数据转换为串行数据，一位一位地进行传输。数据按特定格式发送，包括：

UART硬件连接

UART通信通常需要以下三个基本连接：

• TX（传输端口）：用于发送数据，连接到接收端的RX。
• RX（接收端口）：用于接收数据，连接到发送端的TX。
• GND（地线）：保证两个设备具有共同的参考电平，连接到两端的地线。

小知识：串口(UART)最少几根线通信？

最少两根线通信，其中必备GND保持共同参考电平，以及RX/TX中二选一。

波特率

波特率决定了每秒传输的比特数（bps）。常见的波特率有9600bps、115200bps等。例如，如果波特率是9600bps，表示每秒传输9600个比特。

什么是USART？

USART（Universal Synchronous/Asynchronous Receiver/Transmitter）是一个增强版的串行通信协议，它不仅支持异步通信，还支持同步通信。USART比UART功能更强大，可以在更多复杂的通信环境中使用。其工作原理与UART相似，但它还支持通过时钟信号进行同步通信。

USART的两种工作模式

1. 异步模式：与UART类似，数据在没有时钟信号的情况下传输。接收端和发送端必须预先约定好波特率以确保数据的正确同步。
2. 同步模式：USART通过外部时钟信号同步数据的传输。在这种模式下，发送和接收设备通过时钟信号共同工作，保证数据的同步传输。

USART与UART的区别：

C代码示例：使用UART进行串行通信

以下是一个简单的使用UART进行串行通信的C语言代码示例：

总结

• UART：适用于简单的异步通信，不依赖时钟信号，主要用于低速数据传输。
• USART：比UART更强大，除了支持异步通信外，还可以使用同步通信模式，通过外部时钟同步数据传输，适用于更复杂的应用场景。

6.13 RS232与RS485对比及通信连接方式

1. RS232通信简介

RS232是一种用于短距离数据通信的标准协议，它将TTL电平信号（0V和+5V）转换为更高的电平信号（+12V为逻辑0，-12V为逻辑1）。RS232通信通常使用一对数据线（TX和RX）和一根共地线进行连接。

RS232的通信方式一般包括以下特点：

缺点：

2. RS485通信简介

RS485是一种差分信号传输协议，解决了RS232在传输距离和抗干扰能力方面的不足。它支持长距离、多节点连接，通常用于工业控制系统中。

RS485的通信方式通常包括以下特点：

3. RS485通信连接方式

RS485采用差分信号方式进行数据传输，通常使用两根双绞线（A和B线）。在RS485中，所有的设备（主设备和从设备）都连接到同一条总线上，通过差分电压传输数据。RS485具有以下特点：

• 支持多节点连接：可以在总线上连接多达32个设备，适合多设备网络。
• 屏蔽双绞线：为了防止外部干扰，RS485通信线一般使用屏蔽双绞线。
• 半双工模式：RS485通信不能同时发送和接收数据，因此采用半双工模式。主设备和从设备之间需要切换发送和接收的状态。

4. RS485的优势

• 长距离传输：RS485支持的最大通信距离可达到1500米以上。
• 高速度：RS485支持较高的数据传输速率，适合实时数据传输需求。
• 抗干扰能力：RS485采用差分信号传输方式，能够有效抵抗外界电磁干扰，保证数据传输的稳定性。

5. RS232与RS485对比

总结

• RS232适用于短距离、简单的点对点通信，信号电平较高，抗干扰能力较弱。
• RS485适用于长距离、多设备的通信，采用差分信号传输，具有较强的抗干扰能力和较长的通信距离，适合用于工业控制、自动化系统等领域。

6.14 I2C

I2C（Inter-Integrated Circuit）是一种串行通信总线协议，用于在集成电路（IC）之间进行通信。I2C协议由飞利浦公司（现在的NXP半导体）开发，广泛应用于嵌入式系统中，如微控制器与外部设备之间的数据传输。

I2C通信的特点包括：

• 主从结构：I2C支持主设备（Master）与多个从设备（Slave）之间进行通信，主设备控制通信的时序和数据流。
• 两根信号线：I2C通信使用两根信号线，分别为：SDA（串行数据线）：用于传输数据。SCL（串行时钟线）：用于传输时钟信号，控制数据的传输速率。
• 设备地址：每个I2C设备都有一个唯一的地址，通常是7位或10位地址，允许在同一总线上连接多个设备。
• 半双工通信：数据在两根线（SDA和SCL）上进行同步传输，通信是半双工的，即同一时间只能有一个设备发送数据。

I2C协议的优点包括简单、灵活和可靠，适用于连接多个低速设备，常用于连接传感器、存储器、显示器等外部设备。

I2C总线结构

I2C总线由两根主要信号线组成：

• SDA（串行数据线）：负责传输数据，通常由主设备发送数据，或者从设备发送数据。
• SCL（串行时钟线）：由主设备生成时钟信号，控制数据的传输速率。

总线空闲时，SDA和SCL都处于高电平状态，通过上拉电阻来实现。

I2C时序

I2C协议的时序图描述了数据的传输过程，包括起始条件、停止条件、地址传输、数据传输等。下面是I2C时序的详细解释：

开始条件（S）：