单片机 - 串行通信 并行通信、接口类型及常见通信协议详细解析
串行通信、并行通信、接口类型及常见通信协议详细解析
1. 并行通信 vs. 串行通信
通信方式主要分为并行通信（Parallel Communication）和串行通信（Serial Communication），两者的主要区别在于数据传输的方式。
1.1 并行通信（Parallel Communication）
概念：
并行通信使用多条数据线同时传输多个数据位（bit），通常需要单独的时钟信号进行同步。
优点：
- 速度快，适用于高带宽需求的场景。
- 适合短距离高速数据传输，如 CPU 与内存、硬盘等设备之间的数据传输。
缺点：
- 需要更多的信号线，占用空间大，布线复杂，成本高。
- 存在信号串扰（相邻信号线之间的干扰）和时钟同步问题，影响数据完整性，难以长距离传输。
常见应用：
| 接口 | 速率 | 适用场景 |
|---|---|---|
| LPT（并行端口） | 150KB/s | 旧式打印机 |
| PCI（计算机总线） | 133MB/s - 533MB/s | 旧式显卡、网卡 |
| PATA（并行 ATA） | 16MB/s - 133MB/s | 旧式硬盘 |
| DDR（内存接口） | 3.2GB/s - 100GB/s | 计算机内存 |
1.2 串行通信（Serial Communication）
概念：
串行通信使用单条数据线按位（bit）依次传输数据，并通过时钟信号或特定的协议进行同步。
优点：
- 仅需少量信号线，结构简单，易于扩展。
- 抗干扰能力强，适合长距离通信。
缺点：
- 相比并行通信，单次传输的数据量较少，低速串行协议可能会影响带宽。
- 但现代高速串行协议（PCIe、USB 3.0、SATA）已突破这一限制，速度甚至超过传统并行技术。
常见应用：
| 接口 | 速率 | 适用场景 |
|---|---|---|
| UART（串口） | 9600bps - 115200bps | 串口调试、单片机通信 |
| I²C | 100kHz - 1MHz | 传感器、EEPROM |
| SPI | 1Mbps - 100Mbps | SD 卡、FLASH |
| USB | 480Mbps - 40Gbps | 计算机外设 |
| PCIe | 2.5Gbps - 32Gbps | 显卡、SSD |
| SATA | 1.5Gbps - 6Gbps | 硬盘、SSD |
2. 并口 vs. 串口
2.1 并行接口（Parallel Port）
概念：
- 并行接口使用多条数据线同时传输数据。
- 需要一个专门的时钟信号进行同步。
常见并行接口：
- LPT（并行打印机端口）
- PCI（计算机内部总线）
- PATA（并行 ATA 硬盘）
- DDR（内存总线）
2.2 串行接口（Serial Port）
概念：
- 串行接口使用一条数据线依次传输数据，并依靠时钟信号或特定的同步协议进行传输。
常见串行接口：
- UART（用于调试、GPS、蓝牙模块）
- I²C（用于传感器、EEPROM、LCD）
- SPI（用于存储器、显示屏）
- CAN（用于汽车电子、工业自动化）
- USB（用于计算机外设、存储设备）
- PCIe（用于显卡、SSD）
- SATA（用于硬盘）
3. 典型串行通信协议
3.1 I²C（Inter-Integrated Circuit）
概念：
- I²C 是一种低速串行通信协议，适用于芯片间通信，如传感器、EEPROM 存储器等。
- 采用两线制（SDA：数据，SCL：时钟）。
特点：
- 只需两根信号线（SDA、SCL）。
- 支持多主多从架构。
- 传输速率较低（100kHz - 3.4MHz）。
应用：
- 传感器（温度、压力、加速度计）。
- EEPROM 存储器。
- LCD 显示器。
3.2 其他串行通信协议
| 协议 | 线数 | 速率 | 适用场景 |
|---|---|---|---|
| UART（串口） | 2 | 115200bps | 串口调试、GPS |
| SPI | 4 | 1Mbps - 100Mbps | FLASH 存储、LCD |
| RS-232 | 3 | 115.2kbps | POS 机、ATM 机 |
| RS-485 | 2 | 10Mbps | 远程仪表、PLC |
| CAN | 2 | 1Mbps | 汽车 ECU、工业控制 |
| USB | 4 | 40Gbps | 计算机外设 |
| PCIe | 4+ | 32Gbps | GPU、SSD |
| SATA | 2 | 6Gbps | 硬盘 |
3.3 其他通信协议解析
SPI（Serial Peripheral Interface）
概念：
SPI 是一种高速全双工串行通信协议，适用于短距离高速数据传输（如存储器、显示屏）。
特点：
- 高速（可达 100Mbps）。
- 全双工传输（同时发送和接收）。
- 需要多条信号线（MISO、MOSI、SCLK、CS），线数随设备数增加。
应用：
- FLASH 存储器（EEPROM、SD 卡）。
- LCD 屏幕。
CAN（Controller Area Network）
概念：
- CAN 是一种多主通信协议，适用于汽车、工业自动化等需要可靠数据传输的场景。
特点：
- 高可靠性，支持CRC 校验和优先级仲裁。
- 适用于恶劣环境（如汽车 ECU ）。
- 速率相对较低（最高 1Mbps）。
应用：
- 汽车 ECU（发动机、ABS）。
- 工业自动化（PLC、机器人）。
USB（Universal Serial Bus）
概念：
USB 是一种通用串行总线协议，用于计算机和外设之间的通信。
特点：
- 高速（USB 3.2 可达 40Gbps）。
- 即插即用，支持供电。
- 设备复杂性高，需要驱动支持。
应用：
- 计算机外设（鼠标、键盘）。
- 存储设备（U 盘、移动硬盘）。
4. 总结
4.1 并行 vs. 串行
| 方式 | 传输特点 | 适用场景 |
|---|---|---|
| 并行通信 | 多位数据同时传输 | CPU、内存 |
| 串行通信 | 按位传输 | USB、PCIe、SATA |
(完)