串行/并行通信

按照数据传输的方式，通信可以分为串行通信和并行通信。串行通信简单地说就是数据依次传输，比如要传输0x11111111，一位一位的发送，需要发送8次。并行通信则是几个数据一起传输，同样是0x11111111，如果8位一起发送，只需要发送1次，如图 15.1.1 所示。

由此可见，串行传输占用的通信线更少，成本低，通信速度相对较慢；并行传输占用的通信线多，成本高，通信速度相对更快。但随着对传输速度要求越来越高，并行传输开始出现信号之间的干扰，串行通信受干扰影响较小，之后又发展出差分传输等技术，极大的提高了串行传输速率，使得串行通信速度可能比并行通信速度更快。

串行通信就像单车道，行驶的车辆需要依次行驶。并行通信就像多车道，同时多辆汽车并排行驶。但当车速很快的时候，多车道上并列行驶的汽车之间会形成“气流”相互干扰，单车道则受影响较小，速度能够进一步提升。

全双工/半双工/单工传输

按照数据传输的方向，通信可以分为全双工、半双工和单工。全双工指双方都可以同时收发信息；半双工双方都可以收发信息，但同一时刻只能一方发送信息；单工指只能一方发信息，一方接受信息，通信是单向的。

全双工就像电话通信，双方任意时刻都可以同时收发信息；半双工就像对讲机通信，双向都可得到信息，但是同一时刻只能是一方发射另一方接收，发射和接收不能同时进行；单工就像收音机，只能由广播站发送给收音机，单向不可逆的，如图 15.2.1 所示。

同步/异步通信

按数据同步的方式，通信可以分为同步通信和异步通信。数据在双方之间传输时，需要制定规则保证数据传输的准确。同步通信的做法是加一个时钟信号，发送方和接收方在这个时钟的节拍下传输数据，比如常见的SPI、I2C。而异步通信的做法是对数据进行封装，在数据开头加上起始信号，在数据结尾加上终止信号，双方就按这个规则传输数据，比如UART、1-Wire。

因此，可以通过是否有时钟信号，初步判断是何种数据同步方式。

通信速率

对于同步通信，通信速率由时钟信号决定，时钟信号越快，传输速度就越快。

对于异步通信，需要收发双方提前统一通信速率，这也就是我们串口调试时，波特率不对显示乱码的原因。

时钟对通信的重要性，这里再举个例子：假设发送端时钟频率为1Mhz，对应时钟周期则为1us, 接收端时钟频率为10Mhz，对应时钟周期则为0.1us。现在发送端发送一个数据0x1，就会产生一个持续时间为1us高电平，接收端接收到这个1us的高电平时，会当作是10个0.1us的高电平，认为收到了10个0x1。这时双方数据就乱套了，因此需要一个统一的时钟标准。

通常使用比特率来描述通信速率的快慢，与之容易混淆的是波特率。

• 比特率（Bitrate）：系统在单位时间内传输的比特位（二进制0或1）个数，通常用Rb表示，单位是比特/秒（bit/s），缩写为bps；
• 波特率（Baudrate）：系统在单位时间内传输的码元个数，通常用RB表示，单位是波特（Bd）；

100bit/s即是一秒钟传输100个0或1，100Bd即是一秒钟传输100个码元。

码元就是“承载信息量的基本信号单位”，以一条电线上传输的信号为例，码元就是电线上的电平值。

如果电线上电平只有0和3.3V两种选择，传输的信号是这2种电平之一，码元的状态只有2种。接收方可以把0V认为是二进制的0，把3.3V认为是二进制1。即：传输1个码元时，能用来表示1位数据。

如果电线上电平有0V、3.3V、5V、12V四种选择，传输的信号是这4种电平之一，码元的状态有4种。接收方可以把这4个电平认为是二级制的4个值：00、01、10、11。即：传输1个码元时，能用来表示2位数据。

因此码元状态为2时，比特率等于波特率，码元状态越多，每次传输的码元能携带的信息越多，自然速率也越高。

码元有N个状态时，比特率与波特率的关系式：

串口电平标准

说到串口，经常提到TTL、RS232、RS422、RS485，简单地说，就是为了适应不同的环境条件，使用了不同的电平标准。假如微处理器和板载的蓝牙透传模块通信时，一般就使用TTL电平，引脚直接连接即可。假如微处理器在工业现场，需要连接一个几十米外的装置，则应该考虑将TTL电平转为RS232、RS422、RS485。

如下表 15.5.1 是几个通信接口标准总结。可以发现为了加大传输距离，人们依次尝试了增加电压、差分传输等方式。

串口传输协议

以TTL电平的接口为例讲解串口怎么传输数据，对于RS232/RS422/RS485等接口，仅仅是把TTL电平转换为不同的电平值，或者转换为差分信号。

TTL接口的串口，硬件连接如图 15.6.1 所示。

串口传输中的一些概念如下：

• 波特率：一般选波特率都会有9600,19200,115200等选项。其实意思就是每秒传输这么多个比特位数(bit)；
• 起始位：先发出一个逻辑”0”的信号，表示传输数据的开始；
• 数据位：可以是5~8位逻辑”0”或”1”，先传输bit 0，在传输bit 1，依次类推；
• 校验位：数据位加上这一位后，使得“1”的位数应为偶数(偶校验)或奇数(奇校验)，以此来校验数据传送的正确性。校验位是可选的，可以不传输；
• 停止位：它是一个字符数据的结束标志，数据线变回逻辑”1”；

怎么发送一字节数据，比如“A”？“A”的ASCII值是0x41，二进制就是01000001，怎样把这8位数据发送给对方呢？

• 双方约定好波特率、数据格式(数据位个数、停止位个数、是否使用校验位、奇校验还是偶校验)，假设数据位是8，停止位是1，校验位是1；
• 初始电平为逻辑1；
• 发送方输出逻辑0，并保持1位的时间；接收方检测到逻辑0，就知道对方准备发送数据了；
• 发送方根据数据的bit 0设置引脚电平，并保持1位的时间；接收方读取引脚电平，得到bit 0；
• 发送方根据数据的bit 1设置引脚电平，并保持1位的时间；接收方读取引脚电平，得到bit 1；
• 以此类推，发出8位数据；
• 发送方计算出校验值，设置引脚，并保持1位的时间；接收方读取引脚电平，得到校验值；注意，这步可以省略；
• 发送方输出逻辑1，并保持1位的时间；接收方读取引脚电平，直到数据传输结束；

信号的波形图如图 15.6.2 所示。

常见通信协议

在嵌入式中，有众多通信协议，往往从性能、成本、稳定性、易用性等角度考虑选择合适的协议。常见的通信协议如表 15.7.1 所示。