常用的通信协议总结
A 概念相关
1. 并行通信 & 串行通信
- 并行通信 在同一时刻发送多位数据，优点是速度快，但是传输距离短(长距离信号同步困难，干扰大)，通常要多根线
- 串行通信 逐位顺序传输数据，优点是布线简单，距离远，差发信号时抗干扰能力强
2. 全双工 & 半双工 & 单工
- 单工 只能接受或者发送。例如：收音机、遥控器等，一般只有一根线
- 全双工 在同一时刻只能发送或者接收。例如：对讲机，至少有两根线；
- 半双工 在同一时刻既能接收又能发送。例如：电话，至少有两根线。
3. 同步通信 & 异步通信
- 同步通信 需要时钟线同步信号，例如IIC和SPI等,其中USART(通用同步异步串行收发器),支持同步通信和异步通信
- 异步通信 事先约定好大致的速度（波特率),例如串口(UART)(通用异步收发器)
B 常见硬件通信协议
1. UART协议
通过RX TX 两根线实现异步全双工通信，不需用共享时钟信号，只需用根据事先约定好的数据格式和波特率即可正常工作
关键参数： 波特率 停止位 数据位 校验位
一个完整的数据帧通常由以下部分组成
起始位+数据位+校验位+停止位 起始位为低电平(0)，停止位为高电平(1)，数据位一般为8位，传输顺序是低位 (LSB) 先发，校验位（可选）通常为奇校验/偶校验
电平标准：信号在物理介质上的表示
| 电平标准 | 逻辑 0 | 逻辑 1 | 特点与用途 |
|---|---|---|---|
| TTL/CMOS | 0V (或 <0.8V) | 3.3V 或 5V (>2.4V) | 板内短距离通信（<1米），如MCU之间、MCU与传感器模块之间。 |
| RS-232 | +3V ~ +15V (正电压) | -3V ~ -15V (负电压) | 抗干扰能力强，支持较长距离（约15米）。注意：逻辑定义与TTL相反。 |
| RS-485 | A线电压 > B线电压 (差分, A+ B-) | B线电压 > A线电压 (差分, A- B+) | 差分信号，抗共模干扰能力极强，支持多点通信和长距离（可达1200米），常用于工业环境。 |
2. IIC协议
1）协议介绍-IIC
I2C（IIC）是一种两线式串行总线，采用“一主多从”的总线结构，每个设备都有唯一的设备地址，用于区分同一总线上的其他设备。
IIC总线由两根双向线组成：
- SCL（串行时钟线）：用于同步数据传输。
- SDA（串行数据线）：用于发送和接收数据。
通信由主设备发起，从设备被动响应。IIC具有低功耗和完善的应答机制，增强了通信的可靠性。
2）IIC的5种传输速率
I2C协议支持以下5种速率模式，不同设备可能支持不同的速率：
- 标准模式（Standard）：100 kbps
- 快速模式（Fast）：400 kbps
- 快速模式+（Fast-Plus）：1 Mbps
- 高速模式（High-speed）：3.4 Mbps
- 超快模式（Ultra-Fast）：5 Mbps（单向传输）
说明：超快模式通常用于LED、LCD等不需要应答的器件，仅进行写数据操作，不需要ACK应答信号。
3）IIC的4种信号
IIC协议的基础信号包括：起始信号、停止信号、应答信号和非应答信号。
起始信号
当SCL为高电平时，SDA从高电平跳变到低电平，定义为起始信号（START）。停止信号
当SCL为高电平时，SDA从低电平跳变到高电平，定义为停止信号（STOP）。应答信号
从设备接收到主设备的数据后，在第9个SCL时钟周期内，将SDA拉低，表示“已收到数据”。非应答信号
在第9个SCL时钟周期内，SDA保持高电平，表示“未收到数据”。
4）数据有效性
IIC协议规定：
- 数据采样发生在SCL高电平期间。
- 除了起始和停止信号外，数据传输期间，SCL为高电平时，SDA必须保持稳定；只有在SCL为低电平时，SDA才允许变化。
5）读写时序
写操作时序
主设备向从设备的指定寄存器地址写入数据的时序如下：- 主设备发送起始信号：通知总线上的所有设备开始通信。
- 主设备发送从设备地址（含读/写位）：指定目标从设备，并指明接下来的操作是写入（写位为0）。
- 从设备发送应答信号：从设备检测到自己的地址后，拉低SDA线，表示已准备好接收数据。
- 主设备发送寄存器地址：指定从设备中目标寄存器的地址。
- 从设备发送应答信号：确认接收到寄存器地址。
- 主设备发送数据：将需要写入的数据发送到从设备。
- 从设备发送应答信号：确认接收到数据。
- 主设备发送停止信号：结束通信。
说明：写操作时序中，主设备始终控制数据的发送，从设备仅负责接收数据并发送应答信号。
读操作时序
主设备从从设备的指定寄存器地址读取数据的时序如下：- 主设备发送起始信号：通知总线上的所有设备开始通信。
- 主设备发送从设备地址（含写位）：指定目标从设备，并指明接下来的操作是写入（写位为0）。
- 从设备发送应答信号：从设备检测到自己的地址后，拉低SDA线，表示已准备好接收数据。
- 主设备发送寄存器地址：指定从设备中目标寄存器的地址。
- 从设备发送应答信号：确认接收到寄存器地址。
- 主设备发送重复起始信号：重新发起通信，准备读取数据。
- 主设备发送从设备地址（含读位）：指定目标从设备，并指明接下来的操作是读取（读位为1）。
- 从设备发送应答信号：确认接收到读请求。
- 从设备发送数据：将目标寄存器中的数据发送到主设备。
- 主设备发送非应答信号：表示数据已接收完毕，不再需要更多数据。
- 主设备发送停止信号：结束通信。
说明：读操作时序中，主设备在发送寄存器地址后需要重新发起起始信号（重复起始信号），以切换到读取模式。
6）为什么IIC需要上拉电阻？
IIC总线的SCL和SDA线均为开漏（OD）输出，开漏输出只能输出低电平，不能输出高电平。为了使总线空闲时保持高电平，需要通过上拉电阻将其拉高。
作用：
- 确保总线空闲时为高电平。
- 提高信号的抗干扰能力。
3. SPI协议
1）协议介绍-SPI
SPI（Serial Peripheral Interface）是一种高速、全双工、同步的通信总线，通常用于主设备（Master）与从设备（Slave）之间的通信。SPI仅需4根线即可实现通信，分别是：
- MISO：主设备输入，从设备输出。
- MOSI：主设备输出，从设备输入。
- SCLK：串行时钟信号，由主设备生成。
- CS：片选信号，用于选择具体的从设备（低电平有效）。
2）通信原理
- 主设备通过拉低片选信号（CS）选择目标从设备。
- 数据通过MOSI和MISO线传输，时钟信号（SCLK）同步数据采样。
- 数据采样时机由时钟的极性（CPOL）和相位（CPHA）决定，这是SPI的两个主要参数，而IIC固定，由SCL高电平时采样
3）优缺点
优点：
- 高速全双工通信。
- 硬件简单，支持任意数据长度。
- 支持一主多从
缺点：
- 需要更多引脚（4根线）。
- 无硬件应答信号，缺乏错误检测机制。
- 通信距离较短，通常仅支持一个主设备。
4. CAN协议
1）协议介绍
CAN（Controller Area Network）是一种多主方式的串行通信总线，最初由德国 Bosch 公司在 1980 年代末提出，广泛应用于汽车电子、工业自动化等领域。CAN总线具有高实时性、可靠性和抗干扰能力，支持多节点通信。
2）CAN总线结构
- 闭环结构：两根信号线（CANH 和 CANL）形成回路，总线两端连接 120 欧姆终端电阻，支持高速短距离通信（125 kbps ~ 1 Mbps，最长 40 米）。
- 开环结构：两根信号线独立，各自串联 2.2 kΩ 电阻，支持低速长距离通信（最高 125 kbps，最长 1000 米）。
- 差分信号传输：通过 CANH 和 CANL 的电压差传递信息，具有良好的抗干扰能力。
3）CAN总线特点
- 实时性：仲裁机制和帧优先级设计保证低延迟和高实时性。
- 多主机系统：支持多个节点同时发送和接收数据，无主从之分。
- 差分信号传输：抗干扰能力强，适用于工业环境。
- 仲裁机制：通过消息标识符优先级决定发送权，避免冲突。
- 广播通信：数据帧可被所有节点接收，便于信息共享。
- 错误检测：内置 CRC 校验和错误处理机制，确保通信可靠性。
- 灵活性：支持不同波特率，适应多种应用场景。
4）CAN总线帧类型
| 帧类型 | 帧用途 |
|---|---|
| 数据帧 (Data frame) | 节点发送的包含ID和数据的帧，用于发送单元向接收单元传送数据。 |
| 遥控帧 (Remote frame) | 接收单元向发送单元请求发送具有特定标识符的数据所用的帧，本身不包含数据段。 |
| 错误帧 (Error frame) | 当节点检测出错误时，用于向其他所有单元通知错误的帧。 |
| 过载帧 (Overload frame) | 接收单元通知其尚未做好接收准备的帧，用于请求发送节点延迟发送。 |
| 帧间隔 (Inter-frame space) | 用于将数据帧及遥控帧与前面的帧分离开来的段，包含间歇和总线空闲段。 |
5）优缺点
优点：
- 高实时性和可靠性。
- 支持多主机通信,当多主机同时发送消息时，有优先级法则来控制先后发送
- 抗干扰能力强，适合工业环境。
缺点：
- 通信速率受限于总线长度。
- 半双工通信，不能同时发送和接收。
- 无时钟信号，需统一波特率。
CAN协议还有优先级法则，可以参考一文读懂CAN总线协议
4. RS-485 & RS-232 & USB
RS-232、RS-485 和 USB 对比
| 特性 | RS-232 | RS-485 | USB (Universal Serial Bus) |
|---|---|---|---|
| 通信方式 | 点对点 (Peer-to-Peer) | 多点 (Multi-drop)，支持总线式拓扑，一台主设备可带多个从设备 | 主从结构 (Host-Slave) 的树形拓扑，一个主机最多可连接127个设备（需通过集线器扩展） |
| 信号类型 | 单端信号 (Single-ended) | 差分信号 (Differential) | 差分信号 (Differential) (D+ 和 D-) |
| 传输距离 | 短（通常 ≤ 15米） | 长（可达 1200米，速率降低时更远） | 短（通常 ≤ 5米，高速信号衰减限制；可通过有源延长器扩展） |
| 最大速率 | 较低（通常 115.2 kbps，特定条件下可达更高） | 较高（10 Mbps 短距离，距离增加则速率下降） | 极高（USB 2.0: 480 Mbps; USB 3.0: 5 Gbps; USB 4: 40 Gbps） |
| 抗干扰能力 | 弱（单端信号易受共模噪声影响） | 强（差分信号天生抗共模干扰） | 强（差分信号抗干扰；协议层有CRC校验和重传机制） |
| 供电能力 | 无（仅定义信号，不提供电源） | 无（仅定义信号，不提供电源） | 有（提供 5V 电源，USB 2.0最大500mA，USB 3.0最大900mA，USB PD协议可支持更高功率） |
| 典型应用 | 工业控制、老式调制解调器、串口调试 | 工业自动化、楼宇自控、长距离数据采集 | 外设连接（键盘、鼠标、打印机）、大容量存储（U盘、移动硬盘）、高速数据采集 |
| 成本与复杂度 | 低（硬件简单，协议简单） | 中（需终端电阻，协议简单） | 高（协议复杂，需专用控制器和驱动） |
5. TCP & UDP & HTTP
| 对比维度 | TCP（传输控制协议） | UDP（用户数据报协议） |
|---|---|---|
| 连接方式 | 面向连接（三次握手，四次挥手） | 无连接（直接发送数据，无需建立或释放连接） |
| 可靠性 | 可靠（保证数据不丢失、不重复、按序到达） | 不可靠（可能丢包、乱序，需应用层处理） |
| 传输模式 | 字节流（将数据视为连续的字节序列） | 数据报（以独立数据包为单位传输，边界清晰） |
| 拥塞控制 | 支持（通过慢启动、拥塞避免等算法调节发送速率） | 不支持（无论网络状态如何，持续按原速率发送） |
| 流量控制 | 支持（滑动窗口机制，避免接收方缓冲区溢出） | 不支持（可能导致接收方缓冲区溢出） |
| 头部开销 | 较大（固定 20 字节头部，可选扩展字段） | 极小（固定 8 字节头部，无扩展字段） |
| 传输效率 | 较低（连接建立、确认重传等过程增加延迟） | 较高（无连接建立和确认机制，实时性强） |
| 适用场景 | 文件传输、网页加载、登录认证等对可靠性要求高的场景 | 视频直播、在线游戏、物联网等对实时性要求高的场景 |
| 端口占用 | 单端口可建立多个连接（基于四元组：源 IP/端口、目的 IP/端口） | 单端口对应一个连接（数据报直接绑定端口） |
| 错误处理 | 自动重传（超时重传、快速重传机制） | 不处理（丢包需应用层自行解决） |
二者最大的区别就是：TCP可靠，UDP实时
TCP（传输控制协议）和 HTTP（超文本传输协议），二者分别位于传输层，应用层，HTTP协议依赖于TCP协议，(值得注意的是，传统的HTTP（/1.1和/2）基于TCP，但也存在一些局限性，如队头阻塞。新一代的HTTP/3做出了重大改变，它不再使用TCP作为传输层协议，而是基于QUIC协议（运行在UDP之上），旨在进一步提升传输效率和降低延迟)
留言
有问题请指出,你可以选择以下方式：
- 在下方评论区留言
- 邮箱留言
- Title: 常用的通信协议总结
- Author: H_Haozi
- Created at : 2025-05-03 11:22:45
- Updated at : 2025-09-23 15:23:54
- Link: https://redefine.ohevan.com/2025/05/03/embedded_Communication Protocol/
- License: This work is licensed under CC BY-NC-SA 4.0.
