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

2023-05-16

目录

  • 基本知识框架
  • 课堂笔记
    • 通讯
    • 传送方式
      • 串行通讯
      • 并行通讯
      • 串行通讯与并行通讯的特性
    • 通讯方向
      • 单工通讯
      • 半双工通讯
      • 全双工通讯
    • 同步方式
      • 同步通讯
      • 异步通讯
      • 同步通讯与异步通讯的区别
    • 传输单位
      • 比特率
      • 波特率
      • 比特率和波特率的联系
    • 通讯简介
      • 通讯标准
  • 基本知识框架Xmind文件下载

基本知识框架

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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

传送方式

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
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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
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串行通讯与并行通讯的特性

特性串行并行
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

通讯方向

数据的通讯方向分为单工 / 半双工 / 全双工。它们的区别主要在于:

  • 信道内的数据数据是否能够双向流通
  • 信道内的数据在某一时刻能否双向流通

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
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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
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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
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同步方式

并行传输由于应用较少,所以暂不讨论。仅讨论串行传输的同步 / 异步区别
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
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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
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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

传输单位

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

通讯简介

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

通讯标准中的内容通常可以分为:

  • 数据通讯层协议:规定了如何去处理发送/接收的数据,包括数据的解析,时序,校验,停止等
  • 物理硬件层标准:对物理硬件接口进行定义,通讯距离,通讯速率,最大传输距离,电平标准等

数据通讯层和物理硬件层的关系
并不是所有的通讯标准都会对硬件接口进行定义;例如UART通讯协议,标准中只规定了数据通讯层,没有规定物理硬件层,所以你听过UART通讯协议,却没有听过UART接口,但UART可以和RS232,RS485等物理层标准整合,以其他物理硬件层标准为基础进行通信。但也有的标准既规定了通讯协议,也规定了硬件层标准;例如USB2.0标准,这既可以指USB通信协议,同时也可以指USB物理接口


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

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