串行同步通信和异步通信的优缺点_串口同步通信和异步通信「建议收藏」

一、串口通信简介

串口通信，顾名思义也就是利用串行接口进行通信。串行接口指串口按位（bit）发送和接收字节。尽管比按字节（byte）传输的并行通信慢，但是串口可以在使用一根线发送数据的同时用另一根线接收数据。

串口通信中比较重要的参数包括波特率、数据位、停止位及校验位，通讯双方需要约定一致的数据格式才能正常收发数据。串行通讯可以进一步分为单工、半双工和全双工三种。在串口通信中，常用的协议包括RS-232、RS-422和RS-485。它们的主要区别在于其各自的电平范围不相同。

二、串行和并行通信

刚说到串口通信是通过接口进行串行通讯。那么什么是串行通讯呢？

1 串行通信：

串行通信：计算机与I/O设备之间，同一时刻，只能传输一个bit位的信号。传输数据按顺序依次一bit位接一bit位进行传输，通常数据在一根数据线或一对差分线上传输。

比如，当传输1字节信息时，并行通讯有8根信号线实现同时传输，假如耗时为1T，而串行是在一根信号线上，把数据排成一行、一位一位传输，需要传8次，因此耗时为8T。因此可总结出二者的特性：

2 并行通信：

并行通信是和串行通信相对的数据传输的方式。

并行通信：计算机与I/O设备之间，通过多条传输线，可以同时传输多个bit位的信号。

• 并行通讯的效率高，但是成本高、对信号线路要求高，一般应用于快速设备之间近距离传输，譬如CPU 与存储设备、存储器与存储器、主机与打印机等都采用并行通讯。

• 串行通讯效率较低，但是对信号线路要求低，抗干扰能力强，同时成本也相对较低，一般用于计算机与计算机、计算机与外设之间远距离通讯。

3 串口通信和串行通信的区别

串口通信和串行通信的区别在于：串行通信是一种概念，串口通信是一种具体的通信手段。

串行通信是一种概念，是指一比特一比特的收发数据，相对于并行通信可同时传输多个bit位而言。包括一般的的串口通信、I2C、SPI等等。

串口通信是外设和计算机间的一种通信手段，是相对于以太网通信等通信手段而言的。

二者一个是一种概念，一个是一种实际的通信方式。

三、同步和异步通信

在设备之间传送数据，不管是同步通信还是异步通信，都是为了保证数据被正确的发送和接收，即发送方和接收方的“同步”。即接收方可以确定什么时候发送方开始或者结束发送数据以及每一个数据单位（例如bit，字符）的开始和结束的位置，这样接收方才能在正确的时间对发送方的数据进行采样，以接收正确的数据，否则接收到的数据就是错误的。

根据“同步方式”的不同，由此分出两种同步信号得方法：
（1）同步通信（比特位同步）
（2）异步通信（字符间同步，字符内比特位异步）

同步通信会利用一根额外的信号线，其实也就是时钟信号线，它往往是发送设备提供的时钟信号，发送设备和接收设备在发送设备提供的同一时钟频率下完成同步。（实际上，基本所有的并行通信采用同步通信。）

异步通信没有额外的一根信号线用于同步，接收者和发送者使用各自的时钟信号，接收者根据与发送者按事先约定的规来确定数据发送的开始与结束以及数据单位的持续时间。例如异步串行通信中，一般接收双方会确定一致的停止位，数据位的个数、波特率的大小以及是否采用奇偶校验位。接收方可以根据这些信息推测出准确的数据采样时间以接收正确的数据。如果是同步通信则不需要这些额外的用于同步的数据位（开始位，结束位，奇偶校验位）。

1 同步通信

同步通信要求发送和接收双方在进行数据传输时，保持完全的同步，因此，要求发收双方必须使用同频同相的同步时钟信号。只需在传送报文的最前面附加特定的同步字符，使发收双方建立同步，此后在同步时钟的控制下逐位发送/接收。这样，信息传输完全可以确定传输过程中每1位的位置。因此同步通信是一种比特同步通信技术。

如下图所示：

同步通信是一种连续传送数据的通信方式，一次通信传送一帧数据，每个信息帧用同步字符作为开始，字符间不加标识位。（这里的数据帧比异步通信中的字符帧要大得多，通常含有若干个数据字符）。当检测到有一串数位和同步字符相匹配时，就认为开始一个信息帧，于是，把此后的数位作为实际传输信息来处理。

同步通信以数据帧为单位，其格式包括：同步字符+数据+校验字符CRC。

（a）单同步数据帧结构

（b）双同步数据帧结构

没有数据发送时，接收方要时刻做好接收数据的准备。在每组信息（通常称为帧）传输的开始，发送方先发送一个或两个特殊字符，该字符称为同步字符。当接收方收到同步字符，并和发送方达到同步后，就可以以固定的节奏一个字符接一个字符地发送一大块数据，而不再需要用起始位和停止位了，这样可以明显地提高数据的传输速率。同步通信更加适合对速度要求高的传输，对时序的要求很高，当然对硬件要求也更高。

在没有信息要传输时，要填上空字符，因为同步传输不允许有间隙。在同步传输过程中，一个字符可以对应5～8位。当然，对同一个传输过程，所有字符对应同样的数位，比如说n位。这样，传输时，收发双方用一个时钟进行协调，按每n位划分为一个时间片，发送端在一个时间片中发送一个字符，接收端则在一个时间片中接收一个字符，这样就可以确定传输中每一位的位置。接收数据时，接收方利用同步字符使内部时钟与发送方保持同步，然后将同步字符后面的数据逐位移入，并转换成并行格式，供CPU读取，直至收到结束符为止。

2 异步通信

异步通信是按字符帧传输的，相对于同步通信，异步通信在发送字符时，所发送的字符之间的时隙可以是任意的，接收方并不知道数据什么时候会到达，因此接收端必须时刻做好接收的准备（如果接收端主机的电源都没有加上，那么发送端发送字符就没有意义，因为接收端根本无法接收）。发送端可以在任意时刻开始发送字符，时间间隔可以是任意的，在一字符帧中的所有比特是连续发送的。

发送端不需要在发送字符之前和接收端进行协调（不需要先进行比特同步）。接收设备在收到起始信号之后只要在一个字符的传输时间内能和发送设备保持同步就能正确接收。内部处理器在完成了相应的操作后，通过一个回调的机制，以便通知发送端发送的字符已经得到了回复。下一个字符起始位的到来又使同步重新校准(依靠检测起始位来实现发送与接收方的时钟自同步的字符间同步，字符内比特位异步)

因此必须在每一个字符的开始和结束的地方加上标志，即加上开始位和停止位，以便使接收端能够正确地将每一个字符接收下来。通信双方需要对采用的信息格式（字符的位数、停止位的位数、有无校验位及校验方式等)和数据的传输速率作相同的约定。接收方是在数据的起始位和停止位的帮助下实现字符传送时的同步。这种传输通常是很小的分组，比如一个字符为一组，为这个组配备起始位和结束位。所以这种传输方式的效率是比较低的，毕竟额外加入了很多的辅助位作为负载，常用在低速的传输中。

异步通信以字符为单位，其格式包括：起始位+数据+奇偶校验位+停止位。
以起止式异步协议为例，如下图所示

　　起止式异步通信的特点是：一个字符一个字符地传输,每个字符一位一位地传输，并且传输一个字符时，总是以”起始位”开始，以”停止位”结束，字符之间没有固定的时间间隔要求。每一个字符的前面都有一位低电平起始位(逻辑值0)，字符本身由5-8位数据位组成，接着字符后面是一位校验位(也可以没有校验位),最后是一位或一位半或二位停止位,停止位后面是不定长的空闲位。停止位和空闲位都规定为高电平(逻辑值１)，这样就保证起始位开始处一定有一个下跳沿。由此就可以标志一个字符传输的起始。而根据起始位和停止位也就很容易的实现了字符的界定和同步。
　　如上图中所示，这种格式是靠起始位和停止位来实现字符的界定或同步的，故称为起止式协议。
　　
（1）起始位：发送数据时，先发持续一个bit时间的逻辑”0”信号，表示字符传输的开始，接收端可根据起始位使自己的接收时钟与发送方的数据同步。

（2）数据位：起始位后是数据位，异步传送规定低位在前，高位在后，数据位的位数一般可以是5～8位。

（3）奇偶校验位：奇偶位紧跟在数据最高位之后，占用一位（也可省去）。加上这一位后，使得逻辑“1”信号的位数得到偶校验或奇校验，以此来校验数据传送的正确性。
　　如果是奇校验，需要保证传输的数据总共有奇数个逻辑高位；如果是偶校验，需要保证传输的数据总共有偶数个逻辑高位。举例来说，假设传输的数据位为01001100，如果是奇校验，则奇校验位为0（要确保总共有奇数个1），如果是偶校验，则偶校验位为1（要确保总共有偶数个1）。
　　由此可见，奇偶校验位仅是对数据进行简单的置逻辑高位或逻辑低位，不会对数据进行实质的判断，这样做的好处是接收设备能够知道一个位的状态，有可能判断是否有噪声干扰了通信以及传输的数据是否同步。

（4）停止位：数据发送完后，再发1位、1.5位、2位的高电平（逻辑”1”信号）代表停止位，表示一帧数据结束，同时为接收下一帧数据做准备。

（5）空闲位：在没有数据发送时，即下一帧的起始位“0”到来之前，数据线保持默认的“1”状态，即由高电平来填充。

异步通信字符帧格式总结如下表：

注：位数的本质含义是信号持续的时间,故可有分数位,如停止位1.5位，1.5是它的长度，即停止位的电平保持1.5个单位时间长度。一个单位时间就是波特率的倒数，例如波特率为9600bps，则一个单位时间长为1/9600s，1.5个停止位，即停止位电平保持1.5/9600s。

3 同步通信和异步通信比较

（1）同步通信要求接收端时钟频率和发送端时钟频率一致；异步通信时不要求接收端时钟和发送端时钟同步。

（2）同步通信数据传输是以字节块(多个字节)传输的；异步通信数据传输是以字符(一个字节）传输的。

（3）同步通信传输效率高，但复杂、要求高，双方时钟的允许误差较小；异步通信传输效率低，但简单、要求低，双方时钟可允许一定误差。

（4）同步通信的字节传输是没有间隔的发送端发送连续的比特流；异步通信字节传送的间隔是任意的，发送端发送完一个字节后，可经过任意长的时间间隔再发送下一个字节。

同步通信和异步通信的差异总结如下表：

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