通讯协议的基本概念——同步和异步

假设现在波特率为1bps，现在发送方需要发送11111111，那么现在发送方需要掐时间来发送这8bit的数据一共需要掐8次，总时间为8s，而接收方在接收这一组数据时也需要去掐时间，但是现在问题来了发送方和接收方的时间基准不一致，比如发送方发送了1s的高电平，但是接收方只接收了0.9s的高电平，下面的0，1s被接收方作为下一位bit的数据，如果发送了10个数据，那这样的话是不是就会错出一位，一旦错出一位以后以后的话，后续的数据是不是全就乱了，为了避免这个情况，规定了串口通信不允许连续发动，以防止累计误差的出现除此之外还有另外一种方式，那就是同步发送方和接收方的时间基准，也就是同步，而上面描述的发送方和接收方时间基准不一致的称之为异步

在通信领域，异步通信（Asynchronous Communication）与同步通信（Synchronous Communication）是两种核心的数据传输方式，二者的本质区别在于时钟同步机制和数据传输的协调方式。

一、同步通信（Synchronous Communication）

1. 定义

数据传输依赖统一的时钟信号，发送方与接收方通过时钟信号实现严格的位同步。

• 核心要素：
  • 时钟信号：由主设备或独立时钟源（如晶振）产生，控制数据传输的节奏。
  • 数据与时钟绑定：每个数据位的传输时刻与时钟边沿（上升沿/下降沿）严格对齐。

2. 典型结构

• 单同步模式：发送方在数据块前插入一个同步字符（如ASCII码0x16），接收方检测到同步字符后开始按时钟采样数据。
• 双同步模式：使用独立的时钟线传输时钟信号（如SPI的SCK、I2C的SCL），数据与时钟同步传输。

3. 关键特点

优点	缺点
① 传输效率高：无需额外起始/停止位，适合大块数据传输（如以太网帧）。	① 硬件复杂：需专用时钟线或同步机制，增加布线成本（如SPI需4线）。
② 同步精度高：时钟信号确保采样点精准，误码率低。	② 时钟同步要求高：长距离传输时，时钟信号易受干扰（如时钟 skew）。
③ 适合高速场景：如USB、PCIe等高速总线依赖同步时钟。

4. 典型应用场景

• 短距离高速总线：
  • SPI（Serial Peripheral Interface）：用于MCU与Flash、ADC等设备通信，时钟频率可达数十MHz。
  • I2C（Inter-Integrated Circuit）：多设备同步通信，时钟频率最高400kHz（标准模式）至3.4MHz（高速模式）。
• 长距离同步传输：
  • 以太网：通过曼彻斯特编码将时钟嵌入数据信号（如10Base-T），接收方从数据中提取时钟。
  • 光纤通信：发送方与接收方使用同源时钟（如GPS同步），确保高速数据（如10Gbps）同步传输。

二、异步通信（Asynchronous Communication）

1. 定义

无独立时钟信号，数据传输通过约定的波特率和数据帧格式（起始位、停止位）实现松散同步。

• 核心机制：
  • 发送方与接收方预先约定波特率（如9600bps）。
  • 每个数据字节附加起始位（低电平）和停止位（高电平），用于标识字节的开始和结束。

2. 典型数据帧格式（以8N1为例）

[空闲位(高电平)] → [起始位(0)] → [数据位(8位，低位先传)] → [校验位(可选)] → [停止位(1或2位，1)]

• 示例：传输字符'A'（ASCII码0x41，二进制01000001）：

  起始位(0) → 数据位(01000001，低位先传为10000010) → 停止位(1)
  实际传输顺序：0（起始）→ 1 → 0 → 0 → 0 → 0 → 0 → 1 → 1（停止）
  

3. 关键特点

优点	缺点
① 硬件简单：仅需数据线（如UART的TX/RX），无需时钟线。	① 传输效率低：每个字节需附加2~3位开销（如起始位+停止位），有效载荷仅80%（8N1格式）。
② 灵活性高：可随时启停传输（如交互式命令输入）。	② 同步依赖波特率精度：双方波特率偏差需<5%，否则易导致采样错位。
③ 适合低速场景：如人机交互（键盘输入）、低速传感器通信。

4. 典型应用场景

• 低速串行接口：
  • UART（Universal Asynchronous Receiver-Transmitter）：用于MCU与蓝牙模块、Wi-Fi模块通信（如ESP8266的AT指令）。
  • RS-232/RS-485：工业设备通信（如PLC与上位机），支持长距离（RS-485达1200米）。
• 人机交互设备：
  • 老式鼠标、键盘通过PS/2接口（异步串行）传输数据。

三、关键对比：同步 vs 异步

维度	同步通信	异步通信
时钟信号	必须（内置或独立时钟线）	无需（依赖波特率和帧格式）
传输单位	数据块（Block，如帧、包）	单字节（Byte，带起始/停止位）
典型协议	SPI、I2C、USB、以太网	UART、RS-232、Modbus RTU
波特率/时钟频率	时钟频率决定传输速度（如SPI 10MHz=10Mbps）	波特率=比特率（如9600bps=9600bit/s）
适用场景	高速、大块数据、实时性要求高	低速、非实时、点对点简单通信
硬件复杂度	高（需时钟电路或同步逻辑）	低（仅需简单移位寄存器）

四、技术实现与典型案例

案例1：SPI（同步） vs UART（异步）

• SPI传输流程：
  1. 主设备通过SCK时钟线发送时钟信号，每个时钟周期传输1位数据（MOSI/MISO）。
  2. 数据与时钟边沿严格对齐，接收方在时钟边沿采样数据。
  • 示例：传输1字节0x55（01010101），需8个时钟周期，无额外开销。
• UART传输流程：
  1. 发送方在空闲时保持高电平，发送起始位（0）表示数据开始。
  2. 逐位发送8位数据（低位先传），附加1位停止位（1）。
  • 示例：传输1字节0x55需10位（1起始+8数据+1停止），有效效率80%。

案例2：以太网的同步机制

• 以太网使用曼彻斯特编码，将时钟信号嵌入数据中：
  • 每个比特中间的跳变既表示数据（高→低为1，低→高为0），又作为时钟信号。
  • 接收方无需独立时钟，直接从数据波形中提取同步信号。

五、如何选择通信方式？

优先选同步通信的场景：

• 需高速传输（如>1Mbps）。
• 多设备同步（如传感器阵列同时采集数据）。
• 示例：设计一个高速数据采集系统（如ADC通过SPI传输数据至MCU）。

优先选异步通信的场景：

• 低速、低成本需求（如<100kbps）。
• 点对点简单通信（如单个传感器与MCU交互）。
• 示例：开发一个基于蓝牙的遥控小车（手机通过UART发送指令至MCU）。

六、总结

• 同步通信以时钟为核心，追求效率与精准，是高速通信的基石（如现代计算机总线、互联网）；
• 异步通信以简单灵活见长，在低速场景和嵌入式系统中广泛应用（如串口调试、工业仪表）。

理解二者差异后，可根据项目的速度需求、硬件成本、同步精度选择合适的通信方式。实际开发中，还可结合两者优势，例如：

• 用同步总线（如SPI）实现高速数据传输，用异步串口（如UART）实现控制指令交互，形成“高低速互补”的混合通信架构。