【初入电子坑之通信入门篇（一）】通信基础概念

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一、通信本质
通信通信，说白的就是信息互通。人跟人间的信息互通、机器跟机器间的信息互通、机器跟人间的信息互通。

而想要做到互通，主要有两个问题需要解决，“信息该如何表示？”和“信息该如何传输？”两个核心问题。

我们知道信息交互中，最原始、朴素的表示是0和1。其中，信息传输主要指01串在传输介质上传输的过程。这个过程具体上跟诸如无线电、光纤、电缆如何操作实现有关，不在本文讨论范围。所以本文主要讨论的是“信息该如何表示？”这一问题。

那么：

在电子世界中如何表示0和1？
信息的发送方和接收方如何解析？
如何用0和1的组合表示我们所要传达的信息？
就是值得讨论的问题了。

二、信息表示
2.1、01信号表示
首先，在电子世界中0和1的表示，目前大致有两种方式：

电平信号
差分信号
2.1.1、电平信号
电平信号，简单来说就是根据一根线上的不同电压区间划分成高电平和低电平（如：大于3.3v为高电平，低1.5v为低电平等），通过人为定义高电平为0或1来传输信息。

而又因为几乎不可能做到不同设备间电压完全一致，所以为了保证收发双方电压的一致性，电平信号传输通常需要再加一根GND线作共地用。

2.1.2、差分信号
差分信号这哥们可以说是电平信号的弟弟。前人发现，在长距离信息传输时，传输线会变成不可忽略的等效电阻，从而造成明显的压差，致使信息丢失、失真等现象。而且电平信号只有一根数据线，容易受到电磁干扰等等。

因以上原因，差分信号线就粉嫩登场。


既然你一根信号线容易受电磁干扰、长距离传输有明显压差，那么我用两根信号线表示，根据两根信号线同一时刻的压差区间定义0和1不就可以增强抗干扰性和增长了传输距离嘛。这就是差分信号的思想。

但差分信号也不是没有缺点的。

它的问题在于线材的花销是电平信号的两倍。当我们同时传输n路信号时，电平信号只需要n+1根线（n根信号线，1根共线线），而差分需要2n根线。所以电平信号和差分信号本身并无优劣之分，主要看使用场景进行选择。

2.2、信号解析
信号解析的操作过程而言，其实就是信号解码的过程。发送方通过对01串进行编码发送给接收方，而接收方通过之前约定的编码规则逆向解析。

这个发送和接收的过程中会产生两个问题：

接收方怎么知道发送方什么时候发送了信息？
如果发送了信息，又发送了多少信息？
由以上两个问题可以引申出两种不同的通信方式：

同步通信
异步通信
2.2.1、同步通信
同步通信，在表现形式上就是在收发双方之间加了一条时钟线。通过结合时钟线SCL的电平状态和信号线SDA的电平状态组合出诸如：起始信号、终止信号、实际想要发送的0/1信号等。

如单片机中最常用的I2C协议，它的起始和终止信号就是通过判断时钟线SCL在高电平时，信号线SDA的边沿跳变情况决定的。（关于I2C的具体内容，不了解的朋友可以自行搜索学习。）下图为同步通信示例，I2C协议的拓扑连接图。




2.2.2、异步通信
异步通信跟同步通信的最大区别在于——异步通信没有时钟线，只有信号线和地线。

既然没有的时钟线作为辅助，那么信号线SDA就需要传输包含更多的信息，以替代时钟线的作用。诸如：

我们接收方需要知道收到怎样的信号时表示一个数据的开始。
怎样的信号表示一个信号的结束。
怎样的信号表示需要传递的数据本身。
因此，异步通信传输的01串里，必然需要包含起始位、停止位，以及真正需要传输的数据的数据长度。

不仅如此，我们还需要统一一下收发双方的传输速率，以便接收方能及时且准确的处理发送方发来的数据。

这个传输速率，我们一般称为波特率。波特率指的是每秒钟传送的码元的个数。至于码元是啥。。。由于本人太菜，这个概念的实际内涵还没理解透彻。但在通信过程中，常常一个码元等于一个比特，所以在通信过程中，波特率在大多数情况下，可以理解为比特率。即每秒钟传送得到比特个数。

2.2.3、小结
同步通信：
优点：

​ 可以根据不同时钟线边沿的不同，判断信息的采集与否。
不用添加额外的状态位，增加了信息传输密度。
缺点： ​

需要时钟线协调。
占用发送端和接收端双方的资源（收发双方都需要，时刻关注时钟线的）。
异步通信：
优点： ​

不需要额外的信号线，所占用线较少。
​只占用接收端的资源（需要时刻关注数据线的电平变化情况，但发送方不用）。
​ 缺点：

需要状态位表示收发状态。
需要协定信息传输速率协同双方的信息处理。
比较结论：
同步通信比异步传输效率更高，适合信息交互频繁的场合。
异步通信，相对整体占用资源较少，适用信息交互相对较少的场合。
2.3、通信协议
知道了0/1如何表示，也知道了收发双方对信号解析应该注意的事项。那么就还剩最后一个重要的问题了，即：如何用0和1的组合表示我们所要传达的信息？

换句话说，对于一大串01序列应该如何解读？

这个问题就属于编码的范畴了，如何编码是通信协议规定的。不同的协议有不同的编码方式，这个在学习具体通信协议时会感受到。但它们无外乎遵从以下几点：

0/1表示
信号解析
编码方式
传输方向
传输方向前面没有提到，这里简单的介绍下。

2.3.1、传输方向
通信的传输方向可以分为以下三种：

单工通信：任何时刻都只能单向传输信息。
半双工通信：同一时刻只能单向传输信息，即在通信过程中可以改变传输方向。
全双工通信：任何时刻都可以双向传输信息。
由以上定义其实可以看出，一般单工和半双工都是通过一根信号线实现的，而想要实现全双工，则需要两根信号线用两个端口接收。

2.3.2、常见通信协议
有关通信协议的主要问题，个人觉得有上面的理解差不多够了。下面是简单介绍下载单片机中常用到的通信协议：

串口协议：皆为异步全双工协议。
RS-232：电平信号
RS-485：差分信号
I2C总线协议：同步半双工协议（电平信号）
SPI总线协议：同步全双工协议（电平信号）
。。。。。。
三、缓存方式
在通信过程中，缓存机制是很有必要，至于为什么，请看下图：


没有缓存的发送端
接收端其实也是同样的道理，由此看出缓存机制的必要性。

而常见的缓存机制有两种：

FIFO
DMA
学过数据结构的朋友对FIFO应该都不陌生，first in first out,先进先出的队列结构。

还是发送端为例，应用到上述过程中的话，就是cpu把要传的数据先丢给寄存器，由该寄存器一个bit一个bit的丢给发送端口，CPU就去干其他的活了。

但寄存器的存储空间很有限，很多情况下还是要把需要发送数据拆分成多个段落分次传输，所以引申了一个原理类似，但比寄存器存储空间要大的缓存机制——DMA。