第8课【通讯的基本概念】串行并行 单工半双工全双工 同步异步 比特率波特率
目录
- 基本知识框架
- 课堂笔记
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- 通讯
- 数据传送方式：串行 / 并行
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- 串行通讯
- 并行通讯
- 串行通讯与并行通讯的特性
- 数据通讯方向：单工 / 半双工 / 全双工
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- 单工通讯
- 半双工通讯
- 全双工通讯
- 数据同步方式：同步 / 异步
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- 同步通讯
- 异步通讯
- 同步通讯与异步通讯的区别
- 数据传输单位：比特率 / 波特率
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- 比特率
- 波特率
- 比特率和波特率的联系
- 通讯协议
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- 通讯协议
- 通讯标准
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- 数据通讯协议
- 物理硬件接口
- 基本知识框架Xmind文件下载
基本知识框架
课堂笔记
通讯
计算机的设备之间或者集成电路之间，按一定的约定，互相传输数据，这就是通讯
数据传送方式：串行 / 并行
按照数据的传送方式，可以将通讯分为串行 / 并行通讯
串行通讯
指的是设备通过少量的数据线（一般来说少于8根），控制线，时钟线和地线，将数据一位一位进行逐位传输的通讯方式。如下图
并行通讯
指的是设备通过8、16、32、64位等的数据线，控制线，时钟线和地线，将数据一次性同时传输的通讯方式。如下图
串行通讯与并行通讯的特性
| 特性 | 串行 | 串行 |
|---|---|---|
| 传输距离 | 较远 | 较近 |
| 抗干扰能力 | 较强 | 较弱 |
| 传输速率 | 较慢 | 较快 |
| 传输成本 | 较低 | 较高 |
- 传输距离：要根据实际情况区分，但一般来说串行传输通讯协议距离比并行通讯协议传输距离要远
- 抗干扰能力：串行传输由于数据线少，同时可以使用双绞线，差分传输等减少干扰的传输方式，抗干扰能力更强。并行传输因为数据线多，数据线会产生较多干扰，所以抗干扰能力差
- 传输速率：在传输时钟频率较低的情况下，并行传输的传输速率是高于串行传输的，此时并行传输的数据线数量多，占据着优势。但是传输时钟频率高的情况下，串行传输的传输速率是高于并行传输，因为此时，由于传输时钟频率较高，并行传输会存在多数据通道同步的问题，多根数据线同时收发数据可能会存在不同步，某几根数据线数据已发送，另外几根数据线数据还未发送
- 传输成本：由信号线的数量来决定
数据通讯方向：单工 / 半双工 / 全双工
单工通讯
数据的传输方向是单向的。任何时刻，数据只能从发送方发送给接收方。例如，广播，电视
半双工通讯
数据的传输方向是双向的。但是某一时刻，设备之间仅能进行收或者发数据。例如，对讲机
全双工通讯
数据的传输方向是双向的。任意时刻，设备之间可以同时收发数据。例如，电话
数据同步方式：同步 / 异步
并行传输由于应用较少，所以并没有同步 / 异步的区别。串行传输才有同步 / 异步的区别
同步通讯与异步通讯之间其实并没有严格的区分，但一般来说：
同步通讯
需要有时钟线，使得发送接收双方时钟信号一致，进而进行收发数据的同步。通讯双方统一约定，会在时钟信号的上升沿或下降沿进行数据线的采样。具体如下图
异步通讯
不需要时钟线，但需要在发送的数据中，加入特定信号位用于同步数据。具体如下图
同步通讯与异步通讯的区别
- 同步通讯时，由于时钟同步，通讯双方收发的数据都是连续的比特流。异步通讯时，时钟无需同步，通讯双方收发数据，可以断断续续的发送，发送方任意时长后发送下一个字节，这都是允许的
- 同步通讯的效率更高，异步通讯的效率较低
- 同步通讯硬件较为复杂，因为需要保持时钟信号的同步。异步通信硬件较为简单，因为无需同步时钟信号
- 同步通信可以实现一对多通讯。而异步通信只能实现点对点通讯
数据传输单位：比特率 / 波特率
比特率
指的是单位时间内传输的比特数数量。在电信和计算领域，和连接速度，传输速度，传输带宽是同义词，用于表示数据传输的快慢。在音视频领域，和码率是同义词，用于表征音视频质量。一般单位为bps（bit per second / 位每秒），其他单位还有Mbps，Gpbs
波特率
指的是有效数据讯号调制载波的速率，即单位时间内载波状态变化的次数，调制速率是波特的同义词。更简单的，指的是单位时间传输的码元数量，单位为个
比特率和波特率的联系
这里要引入一个概念：码元，码元，通俗的说，是被人们所规定的符号
例如对于8位二进制数，可以人为规定将2位二进制数看成一个符号，也就是码元，那么8位二进制数就代表了4个码元
以此可以得到，如果将M个2进制数看作1个码元，那么码元的状态数就有N = 2^M种状态：
比特率 = 波特率 * log2(N)
例如，对于8位二进制数，将1位二进制数看成一个码元，那么码元有2^1 = 2种状态。
波特率 = 比特率 / log2(N) = 8 / log2(2) = 8
在日常使用中，通常就只将1位二进制数看成一个码元，所以平常使用到比特率和波特率时，它们在数值上是相等的
通讯协议
通讯协议
指的是通讯的双方，进行数据的收发时必须要遵守的，同一套通讯规则。通讯协议中规定了：通讯的内容，通讯的方式和通讯的时间等等
通讯协议主要由以下三要素组成：
语法：即如何通讯，包括数据的格式、编码和信号等级（电平等级）等
语义：即通讯内容，包括数据内同、含义和控制信息等
时序：即何时通讯，明确通讯的顺序、速率匹配和排序
通讯标准
通讯标准指的是经过权威机构（如ISO、IEEEE、中国国家标准委员会等）认证并发布的通讯协议。根据通讯标准进行设计的产品，可以直接进行通讯。例如USB标准，键盘厂家与主板厂家之间可以不用事先沟通，只要他们都按照USB标准进行产品设计，那么生产出的键盘直接插到主板中就可以使用
通讯标准中，有两样概念容易混淆
- 数据通讯协议
- 物理硬件接口
例如，常说的USB，这既可以指USB数据通讯协议，同时也可以指USB接口
数据通讯协议
指的是通过此通讯标准，如何去处理发送或收到数据，包括数据的解析，时序等
物理硬件接口
通讯标准中，可以对物理硬件接口进行定义，包括尺寸，连接方式，线路的定义等
并不是所有的通讯标准都会对硬件接口进行定义
例如UART标准，通讯标准中只有数据通讯协议，没有UART接口这个说法，因为UART是没有标准物理接口的
从通讯接口区分通信协议的速度
通常情况下，可以从通讯接口上得知此物理协议的速度，是高速或是低速。一般低速的物理硬件接口Pin脚之间的距离都比较大，高速的物理硬件接口Pin脚之间的间距会比较小，因为高速通讯接口通常是差分走线，所以通讯线路之间要紧紧缠绕，Pin脚也会紧密排布
基本知识框架Xmind文件下载
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