硬件面试常见问题-硬件通信协议（UART，SPI，IIC，RS232，RS485）、同步和异步通信

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1、常见的硬件通信协议 ？

串行通信协议

1. UART (Universal Asynchronous Receiver Transmitter) ：

• 一种异步串行通信协议，不需要时钟信号，常用于简单的点对点通信。

SPI (Serial Peripheral Interface) ：

• 一种同步串行通信协议，通常用于微控制器与传感器、存储设备等外部设备之间的高速通信。

• 包含一个主设备和一个或多个从设备，通过时钟信号同步数据传输。

I2C (Inter-Integrated Circuit)：

• 一种同步多主多从串行通信协议，常用于低速设备间的短距离通信。

• 使用两根信号线（SDA和SCL）进行数据传输和时钟同步。

RS-232：

• 一种早期的串行通信标准，通常用于计算机与外部设备（如调制解调器和打印机）之间的连接。

• 使用单端信号传输，支持较长的传输距离。

RS-485：

• 一种改进的串行通信标准，适用于多点通信系统，支持更长的传输距离和更高的数据速率。

• 使用差分信号传输，提高抗干扰能力。

并行通信协议

1. PCI (Peripheral Component Interconnect )：

• 一种高速串行计算机扩展总线标准，广泛用于计算机内部的各种组件之间（如显卡、存储设备）的连接。

• 提供较高的数据传输速率和低延迟。

ATA/IDE (Advanced Technology Attachment/Integrated Drive Electronics)：

• 一种早期的硬盘驱动器接口标准，使用并行数据传输方式。

SATA (Serial ATA)：

• ATA接口的串行版本，广泛用于连接硬盘驱动器和SSD，具有更高的数据传输速率。

无线通信协议

1. Bluetooth：

• 一种短距离无线通信协议，常用于移动设备、计算机和外围设备之间的数据传输。

Wi-Fi (Wireless Fidelity)：

• 一种常用的无线局域网（WLAN）技术，支持设备之间的无线数据传输。

Zigbee：

• 一种低功耗、低数据速率的无线通信协议，常用于物联网（IoT）设备之间的通信。

NFC (Near Field Communication)：

• 一种短距离无线通信技术，常用于移动支付、访问控制等应用。

工业通信协议

1. Modbus：

• 一种广泛应用于工业自动化系统的串行通信协议，支持主从通信模式。

CAN (Controller Area Network)：

• 一种用于汽车和工业自动化中的串行通信协议，支持多主模式和高可靠性数据传输。

PROFINET：

• 一种基于以太网的工业通信协议，广泛应用于工业自动化和控制系统。

其他常见协议

1. USB (Universal Serial Bus)：

• 一种广泛应用于计算机和外部设备之间的通用串行通信协议，支持热插拔和即插即用。

HDMI (High-Definition Multimedia Interface)：

• 一种数字视频和音频传输标准，广泛用于高清电视、显示器和其他多媒体设备。

Ethernet：

• 一种用于局域网（LAN）的有线通信标准，支持高速数据传输和多点通信。

2、同步通信和异步通信 ？

同步和异步通信是两种不同的数据传输方式，主要 区别在于对时钟信号的使用 。

同步通信

特点 ：

• 共享时钟信号 ：发送端和接收端共享一个时钟信号，用于同步数据传输。

• 数据同步 ：每个数据位的传输都由时钟信号引导，接收端根据时钟信号确定数据读取时刻。

优点 ：

• 高效传输 ：由于时钟同步，数据传输速率较高。

• 可靠性强 ：时钟信号使数据的接收和发送更加精确。

缺点 ：

• 复杂性 ：需要额外的时钟线，电路设计复杂。

• 距离限制 ：时钟信号的准确性可能会随着距离增加而降低。

应用场景 ：

• SPI、I2C（ 虽然I2C也支持异步特性，但其时钟线用于同步）。

异步通信

特点 ：

• 无共享时钟 ：发送端和接收端不共享时钟信号，而是使用起始位和停止位来标识数据帧。

• 自包含时序 ：每个数据帧通过自身的起始和停止信号进行同步。

优点 ：

• 简单性 ：无需时钟线，减小了硬件复杂度。

• 灵活性 ：适合低速、长距离通信。

缺点 ：

• 效率稍低 ：由于需要添加起始和停止位，实际数据传输速率可能降低。

• 误差累积 ：长时间传输可能出现同步误差。

应用场景 ：

• UART、RS-232 。

  
  

• 同步通信 适用于需要高效、高速数据传输的场景，但通常需要额外的硬件支持。

• 异步通信 适合简单低速应用，易于实现和调试。

3、UART串口通信 ？

UART（Universal Asynchronous Receiver/Transmitter， 通用异步收发传输器 ）是一种用于串行通信的硬件设备。UART用于将数据串行地传输和接收，广泛应用于计算机与外围设备之间的数据通信。

1. 基础概念：

• 异步通信 : 没有时钟信号，发送方和接收方必须约定好波特率（传输速率）。

• 波特率 : 每秒传输的位数，一般有9600、115200等常见波特率。

• 数据帧结构 : 包括开始位、数据位、奇偶校验位（可选）和停止位。

2. 数据帧结构：

协议：数据包由 起始位、数据帧、奇偶校验位和停止位 组成。

A. 起始位 ：先发出一个逻辑"0"的信号，表示传输字符的开始

B. 数据位 ：紧接着起始位之后。数据位的个数可以是4、5、6、7、8等，构成一个字符，从最低位开始传送。

C. 奇偶校验位： 数据位加上这一位后，使得"1"的位数应为偶数（偶校验）或奇数（奇校验），以此来校验资料传送的正确性。

D. 停止位： 它是一个字符数据的结束标志。可以是1位、1.5位、2位的高电平。由于数据是在传输线上定时的，并且每一个设备有其自己的时钟，很可能在通信中两台设备间出现了不同步。因此停止位不仅仅是表示传输的结束，并且提供计算机校正时钟同步的机会。适用于停止位的位数越多，不同时钟同步的容忍程度越大，但是数据传输率同时也越慢。

E. 空闲位： 处于逻辑"1"状态，表示当前线路上没有资料传送。

F. 波特率： 衡量数据传送速率的指标。表示每秒钟传送的比特位。

3. 通信方式：

• 全双工 : 可以同时进行发送和接收（两个独立的通道）。

• 半双工 : 发送和接收不能同时进行。

• 单工 : 只能单方向传输数据。

4. 实现方式：

• 硬件实现 : 通过MCU或专用的UART芯片（如MAX232）实现。

• 软件实现 : 通过软件模拟UART通信，适用于不具备硬件UART模块的系统。

5. 应用：

• 嵌入式系统 : 如单片机与传感器、模块之间的通信。

• 计算机外设 : 如与鼠标、键盘、调制解调器等的连接。

• 调试和编程 : 通过串口调试嵌入式设备或下载程序。

4、IIC通信 ？

I²C（Inter-Integrated Circuit）是一种常用的串行通信协议，设计用于短距离互连低速设备。由 飞利浦公司 （现NXP）在20世纪80年代开发，I²C现在广泛应用于嵌入式系统中，用于连接微控制器、传感器、显示器和其他外围设备。

I²C 基本概念

I²C是一种多主从架构的双线串行总线系统，由 主设备和从设备 组成。通信通过两条线进行：

• SCL（Serial Clock Line） : 时钟线，由主设备生成时钟信号。

• SDA（Serial Data Line） : 数据线，用于传输数据。

数据传输

I²C使用7位或10位地址进行设备寻址，传输数据以字节为单位，具体传输步骤如下：

1. 起始条件（Start condition） ： 主设备拉低SDA线，然后拉低SCL线，表示通信的开始 。

2. 地址传输 ：主设备发送从设备的地址，并指示读/写操作。

3. 数据传输 ：主从设备之间的数据传输。每个字节后面都有一个确认位（ACK/NACK）。

4. 停止条件（Stop condition） ： 主设备拉高SCL线，然后拉高SDA线，表示通信的结束 。

I²C设备地址

每个I²C从设备都有唯一的7位或10位地址。7位地址通常使用更广泛，实际传输时，地址会左移一位，最右边一位表示读/写操作（0表示写，1表示读）。

I²C通信协议

• 开始条件（Start Condition） : 主设备将SDA从高电平拉到低电平，同时SCL保持高电平。

• 停止条件（Stop Condition） : SCL为高电平时，SDA从低电平拉到高电平。

• 字节数据传输 : 每传输一个字节数据后，接收方需发送一个确认位（ACK）。

• 读/写操作 : 主设备发送设备地址的同时紧接着一个读/写位，0表示写，1表示读。

I²C优点

• 简单的硬件接口 ：只需两根线即可实现通信。

• 多主从架构 ：允许多个主设备和从设备共用一条总线。

• 灵活性 ：支持多种设备共同使用，且设备可以热插拔。

I²C缺点

• 速率较低 ： 标准模式下最大速率为100kHz，快速模式为400kHz，更高的速率（高达5MHz）需要特殊的高速度模式。

• 距离受限 ： 通常适用于PCB内部或短距离通信。

• 总线竞争 ： 总线空闲时，多个主设备可能会尝试同时启动通信。

5、SPI通信 ？

SPI（Serial Peripheral Interface，串行外围设备接口）是一种用于 短距离通信 的同步串行通信协议。它由Motorola公司在20世纪80年代开发，广泛应用于嵌入式系统中，用于微控制器与传感器、存储设备、显示器以及其他外设的通信。

SPI 基本概念

SPI使用主从架构，其通信通过至少四条线进行：

• MOSI（Master Out Slave In） : 主设备输出，从设备输入。
• MISO（Master In Slave Out） : 主设备输入，从设备输出。
• SCLK（Serial Clock） : 时钟线，由主设备生成时钟信号。
• SS/CS（Slave Select/Chip Select） : 从设备选择线，由主设备控制，以选择具体的从设备。

数据传输

SPI是一种 全双工 通信协议，数据在时钟的控制下从主设备到从设备（通过MOSI），同时从从设备到主设备（通过MISO）。具体传输步骤如下：

1. 主设备驱动CS线低电平 ，选择从设备。
2. 主设备生成SCLK时钟信号 。
3. 数据通过MOSI和MISO线同步传输 。
4. 根据时钟的上升沿或下降沿采样数据 。
5. 传输完成后，主设备驱动CS线高电平 ，结束通信。

SPI时钟相位和极性

SPI的时钟相位（CPHA）和时钟极性（CPOL）定义了数据采样的时机和时钟信号的初始状态。根据这两个参数，可以有四种模式：

CPOL—— 0 :  SCLK空闲时低电平；1 : SCLK空闲时高电平

CPHA—— 0 : 奇数边沿采集数据；  1: 偶数边沿采集数据

• CPOL = 0, CPHA = 0 : 时钟信号空闲时为低电平，在第一个上升沿采样数据。
• CPOL = 0, CPHA = 1 : 时钟信号空闲时为低电平，在第一个下降沿采样数据。
• CPOL = 1, CPHA = 0 : 时钟信号空闲时为高电平，在第一个下降沿采样数据。
• CPOL = 1, CPHA = 1 : 时钟信号空闲时为高电平，在第一个上升沿采样数据。

SPI 优点

• 高速传输 ：比I²C通信速率更高，适用于高数据速率的传输。
• 全双工通信 ：可以同时发送和接收数据。
• 简单的硬件实现 ：不需要复杂的仲裁机制。

SPI 缺点

• 线数较多 ：需要至少四条线，增加了布线复杂度。
• 缺乏标准化 ：不同设备的SPI实现可能有所差异，需要仔细阅读设备手册。

6、RS-232外部通信 ？

RS-232（Recommended Standard 232）是一种 串行通信 标准，最初由EIA（Electronic Industries Association）在20世纪60年代制定。它广泛用于计算机与外围设备（如调制解调器、打印机和工业设备）之间的通信。尽管RS-232在现代消费电子产品中使用较少，但在工业自动化和某些专业设备中仍然非常重要。

RS-232 基本概念

RS-232为 异步串行、全双工通信 ， 由电子工业协会(EIA)制定，是个人计算机上的通讯接口之一，通常以9个引脚(DB-9)出现，传输距离通常十几米。

RS-232 信号

RS-232接口定义了多种信号线，其中最常用的是：

• TXD（Transmit Data） : 发送数据线。

• RXD（Receive Data） : 接收数据线。

• GND（Ground） : 地线。

• RTS（Request to Send） : 请求发送。

• CTS（Clear to Send） : 清除发送。

• DTR（Data Terminal Ready） : 数据终端准备好。

• DSR（Data Set Ready） : 数据集准备好。

• DCD（Data Carrier Detect） : 数据载波检测。

• RI（Ring Indicator） : 振铃指示。

RS-232 电气特性

RS-232定义的信号电压如下（负逻辑）：

• 逻辑1（标志位） : -3V到-15V。

• 逻辑0（空闲位） : +3V到+15V。

任何在-3V到+3V之间的电平都被视为不确定状态。

数据传输

RS-232使用异步通信，没有时钟信号。数据传输通过开始位、数据位、可选的校验位和停止位构成的数据帧进行：

1. 起始位 : 通常为1位，表示数据传输的开始，逻辑低电平。

2. 数据位 : 通常为5到8位，是实际传输的数据。

3. 校验位 : 可选，用于错误检测，一般有奇校验和偶校验。

4. 停止位 : 通常为1或2位，表示一帧数据的结束，逻辑高电平。

RS-232 传输速度

RS-232的波特率（传输速率）可以从300bps到115200bps不等，典型值有9600、19200、38400、57600和115200bps。

RS-232 应用

RS-232广泛应用于：

• 计算机与调制解调器 : 老式拨号上网。

• 工业自动化设备 : PLC、传感器和控制器之间的通信。

• 嵌入式系统 : 用于调试和通信。

• 医疗设备 : 如数据采集和监控设备。

7、RS485通信

RS-485是一种用于 多点、差分信号传输的串行通信标准 ，广泛应用于工业自动化、楼宇自动化和其他需要可靠 长距离数据传输 的应用中。与RS-232相比，RS-485具有更强的抗干扰能力和更长的传输距离。

RS-485 基本概念

差分信号

RS-485使用差分信号传输，它通过两根线（A和B）来传输数据。差分信号的优势在于：

• 抗干扰能力强 ：由于接收端检测的是两根线之间的电压差，而不是单端电压，所以对噪声有更好的抵抗力。

• 传输距离长 ：典型的传输距离可以超过1200米。

多点通信

RS-485支持多点通信，即多个设备可以连接在同一总线上，常见的配置是主从模式。一个RS-485总线上可以连接多达32个设备，使用扩展器可以连接更多设备。

RS-485 电气特性

• 逻辑1 ：A线电压低于B线电压，通常两线间的电压差为+(2~6)V。

• 逻辑0 ：A线电压高于B线电压，通常两线间的电压差为-(2~6)V。