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)