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STM32外设面试速通：UART、I2C、SPI、DMA、RAM/FLASH与ADC/DAC

news 2025/10/28 8:35:27

1. 什么是UART？什么是USART？二者有什么区别？

1.1 UART

1.2 USART

1.3 对比

2. 同步通信和异步通信

3. 什么是I2C，I2C时序图

4. 什么是SPI，SPI时序图

5. 什么是DMA

6. 我们通常所说的波特率9600bps，这个bps的意思是？

7. FLASH和RAM的区别

8. ADC和DAC有什么区别？

1. 什么是UART？什么是USART？二者有什么区别？

1.1 UART

UART，全称是 Universal Asynchronous Receiver/Transmitter，即通用异步收发传输器。它是一种硬件设备（或微控制器中的一个模块），用于通过异步串行通信协议在两个设备之间传输数据。

核心特点：

异步通信：这是最关键的一点。通信双方没有统一的时钟信号。发送器和接收器必须事先约定好相同的通信参数（波特率、数据位、停止位、校验位），依靠数据帧的起始位和停止位来同步单个字符的传输。
全双工：可以同时进行数据的发送和接收（通常需要两根数据线：TXD用于发送，RXD用于接收）。
点对点：通常用于两个设备之间的通信。
帧结构：数据被封装成“帧”进行传输。每一帧包含：
- 起始位：一个逻辑低电平，标志一帧数据的开始。
- 数据位：实际要传输的数据（通常是5-9位，最常见的是8位）。
- 校验位：可选的错误检测位（奇校验或偶校验）。
- 停止位：一个或多个逻辑高电平，标志一帧数据的结束。

常见应用场景：

通过串口（COM口）连接计算机和调制解调器、老式鼠标、路由器等。
微控制器与GPS模块、蓝牙模块、Wi-Fi模块的通信。
嵌入式系统的调试信息输出（Console）。
USB转TTL串口模块，使得现代电脑可以通过USB与UART设备通信

1.2 USART

USART，全称是 Universal Synchronous/Asynchronous Receiver/Transmitter，即通用同步/异步收发传输器，从名字就可以看出，它是UART的超集。一个USART模块可以被配置为工作在两种模式下：

UART模式（异步）：此时它的功能与一个标准的UART完全相同。
同步模式：这是UART所不具备的功能。

同步模式的核心特点：

同步通信：需要一根额外的时钟信号线。发送方（通常是主设备）会生成一个时钟信号，接收方（从设备）根据这个时钟来采样数据。这消除了对波特率严格匹配的依赖，可以实现更高速度和更可靠的数据传输。
时钟信号：这根额外的线（在SPI中通常叫SCK，在I2C中叫SCL）用于同步数据位。
可支持协议：同步模式使其能够支持像 SPI、I2C 这样的同步串行通信协议（需要额外的逻辑来实现协议细节，USART硬件本身不直接等同于SPI或I2C，但可以配置时钟和数据极性等来适配）。

1.3 对比

特性	UART（通用异步收发器）	USART（通用同步/异步收发器）
全称	Universal Asynchronous Receiver/Transmitter	Universal Synchronous/Asynchronous Receiver/Transmitter
通信模式	仅异步	同步和异步
时钟信号	不需要单独的时钟线	同步模式下需要额外的时钟线（CK）
硬件复杂性	相对简单	更复杂，因为它包含了UART的所有功能并增加了同步逻辑
成本	通常更低	通常更高
数据可靠性	依赖双方波特率的精确匹配，长距离或高速时易出错	同步模式下由硬件时钟同步，更可靠，抗干扰能力更强
速度	相对较低（常见于115200bps等）	同步模式下可以达到更高的数据传输速率
灵活性	只能进行异步通信	更灵活，可在同步和异步模式间切换，适应更多应用场景
数据帧	使用起始位和停止位	异步模式下与UART相同；同步模式下帧结构可能不同（取决于配置）

2. 同步通信和异步通信

同步通信：在同步通信中，发送方和接收方的时钟是相互关联的，数据的传输和接收是基于一个共同的时钟信号进行同步的。发送方在每个时钟周期内按照时钟的节拍发送数据，接收方也按照同样的时钟节拍接收数据。双方通过时钟信号的同步来保证正确的数据传输。同步通信对时序要求较高，需要在通信双方之间建立稳定的时钟信号。

异步通信：在异步通信中，发送方和接收方没有共同的时钟信号进行同步。数据的传输和接收不依赖于特定的时钟信号，而是通过特定的起始位和停止位来标识数据的传输开始和结束。每个数据帧都有自己的起始和停止位，这样接收方可以通过检测起始和停止位来识别每个数据帧。异步通信相对较为灵活，但需要额外的控制位来标识起始和停止。

特征	同步通信	异步通信
时钟	共享时钟，有专用的时钟线	无共享时钟，双方依赖各自独立的内部时钟
数据流	数据块连续传输，无额外标识	数据以“帧”为单位，每帧有起始/停止位
效率	高，无额外开销，适合大数据量	较低，每帧有起始/停止位等开销
硬件复杂度	较高（需要时钟线）	较低（通常只需数据线）
距离和成本	通常用于板内短距离通信，成本敏感	更适合长距离通信，成本较低
时序要求	对时钟信号的时序要求极高	对双方波特率的一致性要求极高

3. 什么是I2C，I2C时序图

嵌入式面试八股文（八）·单工、半双工、全双工的区别以及常用通讯接口简介_全双工半双工单工-CSDN博客

4. 什么是SPI，SPI时序图

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5. 什么是DMA

DMA(直接存储器访问) 提供在外设与内存、存储器和存储器、外设与外设之间的高速数据传输使用。

存储器→存储器（例如：复制某特别大的数据buf）
存储器→外设（例如：将某数据buf写入串口TDR寄存器）
外设→存储器（例如：将串口RDR寄存器写入某数据buf）

它允许不同速度的硬件装置来沟通，而不需要依赖于 CPU，在这个时间中，CPU 对于内存的工作来说就无法使用。简单来说就是一个数据搬运工。

DMA的意义主要体现在以下几个方面：

代替CPU搬运数据，为CPU减负：数据搬运是一个耗时的任务，如果由CPU来执行数据传输操作，会占据CPU的大量时间和计算资源。通过利用DMA机制，外部设备可以直接与内存进行数据传输，无需CPU的参与，从而减轻了CPU的负担，使其能够专注于执行其他更重要的任务。
数据搬运工作时效要求高：某些场景下，数据的及时传输非常重要，例如实时流媒体、快速数据采集等应用。DMA能够以高效率和高速度进行数据传输，满足对数据及时性的要求。
数据搬运任务缺乏技术含量：相比于其他计算任务，数据搬运任务相对简单，缺乏复杂的计算和逻辑操作。通过将数据搬运任务交给DMA执行，CPU可以节省出宝贵的时间和资源，用于执行更具技术含量的计算和处理任务。

6. 我们通常所说的波特率9600bps，这个bps的意思是？

我们通常所说的波特率9600 bps，这里的 bps 的全称是 Bits Per Second，中文意思是 位每秒 或 比特率。它表示每秒钟传输的二进制位数（bit的数量）。

在绝大多数简单的串行通信（如UART）中，波特率在数值上等于比特率。因此我们经常混用这两个词。但实际上，它们有细微的技术区别：

比特率：指单位时间内传输的二进制位数。单位就是 bps。它衡量的是实际数据位的速度。
波特率：指单位时间内传输的符号（或信号事件）的数量。单位是波特。它衡量的是信号变化的速率。

7. FLASH和RAM的区别

把它们想象成办公室的桌面和文件柜：

RAM（内存）就像你的办公桌面。
FLASH（闪存）就像你的文件柜。

RAM - 办公桌面（临时工作区）：

为什么需要它？：CPU的处理速度极快，但如果每次都直接从“文件柜”（FLASH）里取文件，速度太慢，CPU就会“饿死”。所以需要一个极快的工作区来存放CPU正在处理的“急件”。
工作原理：
- 当你打开一个程序（比如游戏或Word文档），系统会把它从“文件柜”（FLASH）里拿出来，放到“桌面”（RAM）上，这样CPU就能快速处理了。
- 你编辑文档时，所有的修改都暂时保存在“桌面”（RAM）上。
- 一旦断电（比如关机或停电），就像有人一下子掀翻了你的桌子，桌面上所有没保存的东西都会消失。这就是RAM的易失性。

FLASH - 文件柜（长期存储区）：

为什么需要它？：用来长久地保存你的数据，即使设备关机断电，数据也不会丢失。
工作原理：
- 你的操作系统、应用程序、文档、照片、视频等都存放在这里。
- 当你需要运行一个程序或打开文件时，就从“文件柜”里把它拷贝到“桌面”（RAM）上进行操作。
- 保存文件这个动作，其实就是把“桌面”（RAM）上修改好的数据，写回“文件柜”（FLASH）里归档。
- 它的特点是断电后数据不丢失（非易失性），但读写速度，尤其是写入速度，比RAM慢得多。

特性	RAM（随机存取存储器）	FLASH（闪存）
中文名	内存、运行内存	闪存、闪存存储器
功能角色	临时工作区	长期存储区
易失性	易失性 - 断电后数据全部丢失	非易失性 - 断电后数据依然保存
速度	非常快	相对较慢（尤其是写入速度）
寿命	理论上无限次读写	有擦写次数限制（通常足够用到设备淘汰）
主要用途	临时存放正在运行的程序和数据	永久存放需要保存的程序、文件、系统
成本	单位容量成本较高	单位容量成本较低
类比	办公桌面 - 你正在处理的文件都放在桌上	文件柜 - 所有归档和待用的文件都放在里面
在电脑中的例子	内存条	固态硬盘、BIOS芯片
在手机中的例子	运行内存	机身存储

8. ADC和DAC有什么区别？

一句话总结：

ADC：将连续的模拟信号转换为离散的数字信号。
DAC：将离散的数字信号转换为连续的模拟信号。

特性	ADC（模数转换器）	DAC（数模转换器）
全称	Analog-to-Digital Converter	Digital-to-Analog Converter
中文名	模数转换器	数模转换器
核心功能	从模拟到数字	从数字到模拟
信号转换方向	模拟信号 → 数字信号	数字信号 → 模拟信号
好比	翻译官，将人类的语言（模拟）翻译成计算机的语言（数字）	翻译官，将计算机的语言（数字）翻译成人类的语言（模拟）
关键参数	分辨率、采样率、信噪比	分辨率、建立时间、无杂散动态范围
主要过程	采样 → 量化 → 编码	解码 → 重建
应用举例	麦克风、温度传感器、数字示波器	扬声器/耳机、电机驱动、可编程电源