【串口通信中异步模式与同步模式的区别和选择】

最新推荐文章于 2025-09-24 11:21:35 发布

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#fpga开发 #嵌入式 #mcu #c语言 #单片机

在 UART/USART 的开发中，异步模式和同步模式的选用取决于具体的应用场景、硬件支持、通信需求以及开发复杂度等因素。两者在数据传输方式、硬件要求和适用场景上有显著差异。以下将详细讲解异步模式和同步模式的区别，并分析在实际开发中如何选择使用，结合 STM32 等 MCU 的实际开发经验提供指导。

一、异步模式与同步模式的区别

1. 异步模式

定义：数据传输无需外部时钟信号，发送方和接收方通过预设的波特率（Baud Rate）保持时间同步。
数据帧：
- 包含起始位（Start Bit）、数据位（Data Bits）、校验位（可选，Parity Bit）和停止位（Stop Bits）。
- 典型格式：8N1（8位数据，无校验，1位停止位）。
硬件要求：
- 仅需两根线：TX（发送）和 RX（接收）。
- 无需额外的时钟线。
传输方式：
- 数据以帧为单位发送，每帧之间可能有空闲时间。
- 发送和接收独立进行，适合非连续数据传输。

2. 同步模式

定义：数据传输依赖外部时钟信号，发送方通过时钟线（CLK）同步数据，接收方根据时钟边沿采样。
数据帧：
- 仅包含数据位，无起始位和停止位。
- 数据连续传输，无空闲间隔。
硬件要求：
- 需要三根线：TX（发送）、RX（接收）和 CLK（时钟）。
- 发送方必须提供时钟信号。
传输方式：
- 数据连续传输，适合高速、大批量数据场景。
- 发送和接收严格同步，依赖时钟信号。

3. 对比表格

特性	异步模式	同步模式
时钟信号	无需外部时钟	需外部时钟（CLK）
数据帧	有起始位和停止位	无起始位和停止位
硬件连线	TX、RX（2线）	TX、RX、CLK（3线）
传输效率	较低（额外位开销）	较高（无额外位）
速率范围	低至中等（~Mbps）	中至高（~10 Mbps）
实现复杂度	简单	较复杂
典型应用	串口调试、模块通信	高速数据传输

二、在实际开发中的选择依据

选择异步模式还是同步模式，需要综合考虑以下因素：

1. 通信速率需求

异步模式：
- 适合低速至中等速率（几百 bps 至数 Mbps）。
- 起始位和停止位占用约 20% 的带宽（以 8N1 为例，10位传输8位数据），效率较低。
- 示例：9600 bps、115200 bps，常见于调试或模块通信。
同步模式：
- 适合中速至高速传输（数 Mbps 至 10 Mbps）。
- 无起始位和停止位，带宽利用率高，适合连续大数据量传输。
- 示例：STM32 USART 在同步模式下可达 4.5 Mbps（72 MHz 时钟）。
选择建议：
- 如果速率需求 < 1 Mbps，异步模式足够且简单。
- 如果速率需求 > 1 Mbps 或需要高效率，考虑同步模式。