《串行輸入輸出接口》課件

串行輸入輸出接口課程目標(biāo)了解串行通信的基本概念和原理掌握常見的串行通信標(biāo)準(zhǔn)和協(xié)議學(xué)習(xí)串行通信硬件接口和軟件接口了解串行通信的應(yīng)用場(chǎng)景和典型案例什么是串行輸入輸出接口串行輸入輸出接口（簡(jiǎn)稱串口）是一種常用的數(shù)據(jù)傳輸方式，它將數(shù)據(jù)按順序一位一位地傳輸。與并行接口相比，串口使用一根或兩根線傳輸數(shù)據(jù)，效率較低，但成本較低，更適合遠(yuǎn)距離傳輸數(shù)據(jù)。串行數(shù)據(jù)傳輸原理1數(shù)據(jù)位表示實(shí)際要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)2起始位表示數(shù)據(jù)幀的開始3停止位表示數(shù)據(jù)幀的結(jié)束4校驗(yàn)位用于檢測(cè)數(shù)據(jù)傳輸過程中的錯(cuò)誤串行數(shù)據(jù)傳輸使用單根數(shù)據(jù)線按位順序傳輸數(shù)據(jù)，每次只傳輸一個(gè)數(shù)據(jù)位。數(shù)據(jù)位、起始位、停止位和校驗(yàn)位構(gòu)成一個(gè)完整的串行數(shù)據(jù)幀。同步串行傳輸和異步串行傳輸同步串行傳輸發(fā)送方和接收方使用同一個(gè)時(shí)鐘信號(hào)同步數(shù)據(jù)傳輸。異步串行傳輸發(fā)送方和接收方使用各自的時(shí)鐘信號(hào)，但通過起始位和停止位來同步數(shù)據(jù)傳輸。起始位、停止位和校驗(yàn)位起始位開始數(shù)據(jù)傳輸?shù)臉?biāo)志，通常為低電平。停止位結(jié)束數(shù)據(jù)傳輸?shù)臉?biāo)志，通常為高電平。校驗(yàn)位用于檢測(cè)數(shù)據(jù)傳輸過程中的錯(cuò)誤，保證數(shù)據(jù)完整性。波特率和數(shù)據(jù)傳輸速率波特率每秒傳輸?shù)谋忍財(cái)?shù)數(shù)據(jù)傳輸速率每秒傳輸?shù)淖止?jié)數(shù)單工、半雙工和全雙工通信1單工通信數(shù)據(jù)只能單向傳輸，例如廣播。2半雙工通信數(shù)據(jù)可以在兩個(gè)方向傳輸，但不能同時(shí)傳輸。3全雙工通信數(shù)據(jù)可以在兩個(gè)方向同時(shí)傳輸，例如電話。常見的串行標(biāo)準(zhǔn)RS-232最常用的串行標(biāo)準(zhǔn)之一，用于短距離通信，如計(jì)算機(jī)與外設(shè)之間連接。RS-422用于更長(zhǎng)距離通信，支持更高的數(shù)據(jù)傳輸速率，常用于工業(yè)控制領(lǐng)域。RS-485多點(diǎn)通信標(biāo)準(zhǔn)，支持多個(gè)設(shè)備同時(shí)連接到同一總線上，用于工業(yè)自動(dòng)化和儀器儀表領(lǐng)域。RS-232標(biāo)準(zhǔn)RS-232是應(yīng)用最廣泛的一種串行通信標(biāo)準(zhǔn)，它定義了數(shù)據(jù)信號(hào)和控制信號(hào)的電氣特性以及數(shù)據(jù)傳輸速率等。RS-232標(biāo)準(zhǔn)主要應(yīng)用于計(jì)算機(jī)與外設(shè)之間的通信，例如打印機(jī)、鼠標(biāo)、鍵盤等。RS-422和RS-485標(biāo)準(zhǔn)RS-422標(biāo)準(zhǔn)采用差分信號(hào)傳輸，提高抗干擾能力。RS-485標(biāo)準(zhǔn)支持多點(diǎn)通信，適用于工業(yè)控制等環(huán)境。串行通信硬件接口硬件接口串行通信接口通常由一些特定的硬件組成,例如:UART,SPI,I2C控制器,以及相關(guān)的信號(hào)線。信號(hào)線典型的信號(hào)線包括:數(shù)據(jù)線(TX,RX),時(shí)鐘線(SCLK),地址線(SDA),控制線(CS),等。接口標(biāo)準(zhǔn)串行接口遵循不同的標(biāo)準(zhǔn),如:RS-232,RS-422,RS-485,SPI,I2C,等。串行通信軟件接口1驅(qū)動(dòng)程序驅(qū)動(dòng)程序是操作系統(tǒng)與串行通信硬件之間的橋梁，負(fù)責(zé)管理硬件資源并提供統(tǒng)一的軟件接口。2通信庫(kù)通信庫(kù)封裝了底層驅(qū)動(dòng)程序的細(xì)節(jié)，為應(yīng)用程序提供更高層的通信接口，簡(jiǎn)化開發(fā)過程。3應(yīng)用程序接口應(yīng)用程序接口（API）為應(yīng)用程序提供訪問串行通信功能的標(biāo)準(zhǔn)方法，方便應(yīng)用程序與硬件進(jìn)行通信。串行通信控制指令發(fā)送指令用于控制串行接口的通信狀態(tài)，例如啟動(dòng)、停止、復(fù)位等。接收指令用于接收來自串行接口的反饋信息，例如數(shù)據(jù)接收狀態(tài)、錯(cuò)誤信息等。數(shù)據(jù)指令用于發(fā)送或接收數(shù)據(jù)，例如字符數(shù)據(jù)、二進(jìn)制數(shù)據(jù)等。串行通信中的時(shí)序參數(shù)時(shí)鐘頻率定義數(shù)據(jù)傳輸速率數(shù)據(jù)位一個(gè)字節(jié)包含的數(shù)據(jù)位數(shù)校驗(yàn)位用于確保數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐暾酝Ｖ刮粯?biāo)記數(shù)據(jù)傳輸結(jié)束串行通信中的錯(cuò)誤檢測(cè)和糾正奇偶校驗(yàn)在數(shù)據(jù)幀中添加一個(gè)校驗(yàn)位，使數(shù)據(jù)位和校驗(yàn)位之和為奇數(shù)或偶數(shù)，以檢測(cè)傳輸錯(cuò)誤。循環(huán)冗余校驗(yàn)（CRC）在數(shù)據(jù)幀末尾添加一個(gè)CRC校驗(yàn)碼，可以檢測(cè)和糾正多種類型的傳輸錯(cuò)誤。校驗(yàn)和將數(shù)據(jù)幀中所有字節(jié)的和進(jìn)行模運(yùn)算，并將結(jié)果作為校驗(yàn)和添加在數(shù)據(jù)幀中，用于檢測(cè)數(shù)據(jù)錯(cuò)誤。串行通信的功能擴(kuò)展USB接口USB接口是串行通信技術(shù)的擴(kuò)展，支持高速數(shù)據(jù)傳輸，廣泛應(yīng)用于外設(shè)連接。以太網(wǎng)以太網(wǎng)是一種基于串行通信的高速網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，支持高帶寬和網(wǎng)絡(luò)連接。無線通信無線通信技術(shù)利用電磁波進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，例如Wi-Fi，藍(lán)牙等?；赨ART的串行通信設(shè)計(jì)UART簡(jiǎn)介通用異步接收器/發(fā)送器（UART）是一種常用的串行通信接口，廣泛應(yīng)用于各種電子設(shè)備中。UART工作原理UART將并行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為串行數(shù)據(jù)，反之亦然，并使用異步協(xié)議進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。UART硬件設(shè)計(jì)UART硬件電路通常包含接收器和發(fā)送器，以及控制邏輯電路。UART軟件編程通過軟件接口可以配置UART參數(shù)、發(fā)送和接收數(shù)據(jù)，并處理通信錯(cuò)誤。UART的工作原理UART（通用異步收發(fā)器）是一種將并行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為串行數(shù)據(jù)，并進(jìn)行串行傳輸?shù)男酒Ｋ饕糜谟?jì)算機(jī)系統(tǒng)與外部設(shè)備之間進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，例如連接串口設(shè)備，如鼠標(biāo)、鍵盤、打印機(jī)等。UART內(nèi)部包含兩個(gè)主要模塊：發(fā)送器和接收器。發(fā)送器將并行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為串行數(shù)據(jù)，接收器將串行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為并行數(shù)據(jù)。UART的工作原理是利用時(shí)鐘信號(hào)控制數(shù)據(jù)發(fā)送和接收過程，并將數(shù)據(jù)編碼成串行數(shù)據(jù)流。UART的硬件電路設(shè)計(jì)UART硬件電路主要由以下部分組成：-接收器：將串行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為并行數(shù)據(jù)，并進(jìn)行校驗(yàn)。-發(fā)送器：將并行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為串行數(shù)據(jù)，并進(jìn)行編碼。-控制邏輯：控制UART的操作，例如發(fā)送/接收數(shù)據(jù)、設(shè)置波特率等。-時(shí)鐘電路：為UART提供時(shí)鐘信號(hào)，保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐健?緩沖區(qū)：存儲(chǔ)待發(fā)送或接收的數(shù)據(jù)，提高傳輸效率。UART的軟件接口編程驅(qū)動(dòng)程序UART驅(qū)動(dòng)程序提供訪問UART硬件的功能，例如發(fā)送和接收數(shù)據(jù)。庫(kù)函數(shù)UART庫(kù)函數(shù)提供更高級(jí)別的接口，簡(jiǎn)化了UART編程。中斷處理UART中斷處理程序可以異步處理數(shù)據(jù)傳輸，提高系統(tǒng)效率。UART通信中的常見問題數(shù)據(jù)丟失由于線路干擾或信號(hào)衰減，導(dǎo)致數(shù)據(jù)丟失。數(shù)據(jù)錯(cuò)誤由于線路噪聲或其他因素，導(dǎo)致數(shù)據(jù)傳輸錯(cuò)誤。通信速率不匹配發(fā)送端和接收端的波特率不一致，導(dǎo)致數(shù)據(jù)無法正常傳輸?；赟PI總線的串行通信1SPI概述SPI（SerialPeripheralInterface）是一種同步串行通信協(xié)議，廣泛應(yīng)用于嵌入式系統(tǒng)中。2數(shù)據(jù)傳輸SPI通過四線方式進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸：SCK（時(shí)鐘）、MOSI（主設(shè)備輸出、從設(shè)備輸入）、MISO（主設(shè)備輸入、從設(shè)備輸出）、SS（從設(shè)備選擇）。3應(yīng)用場(chǎng)景SPI適用于多種應(yīng)用，如傳感器數(shù)據(jù)采集、存儲(chǔ)器讀寫、顯示屏控制等。SPI的工作原理和特點(diǎn)同步時(shí)鐘SPI使用一個(gè)單獨(dú)的時(shí)鐘信號(hào)來同步數(shù)據(jù)傳輸，確保主設(shè)備和從設(shè)備的數(shù)據(jù)同步。全雙工SPI支持全雙工通信，主設(shè)備和從設(shè)備可以同時(shí)進(jìn)行數(shù)據(jù)發(fā)送和接收。高速傳輸SPI具有較高的傳輸速度，適合高速數(shù)據(jù)傳輸場(chǎng)景。SPI的硬件電路和軟件接口SPI硬件電路通常由以下部分組成：主設(shè)備和從設(shè)備：主設(shè)備發(fā)起通信，從設(shè)備響應(yīng)。時(shí)鐘信號(hào)線(SCK)：由主設(shè)備控制，提供時(shí)鐘同步。數(shù)據(jù)傳輸線(MOSI/MISO)：用于數(shù)據(jù)傳輸，MOSI為主設(shè)備到從設(shè)備的數(shù)據(jù)線，MISO為從設(shè)備到主設(shè)備的數(shù)據(jù)線。片選信號(hào)線(CS)：主設(shè)備通過CS線選擇具體的從設(shè)備進(jìn)行通信。SPI軟件接口通常包含以下功能：初始化SPI設(shè)備，設(shè)置時(shí)鐘速度、數(shù)據(jù)模式等參數(shù)。發(fā)送和接收數(shù)據(jù)，控制數(shù)據(jù)傳輸方向。讀取狀態(tài)寄存器，獲取SPI設(shè)備狀態(tài)信息。SPI通信中的應(yīng)用場(chǎng)景1外設(shè)數(shù)據(jù)傳輸SPI常用于微控制器與外設(shè)之間的數(shù)據(jù)交換，例如傳感器、存儲(chǔ)器、顯示屏等。2串行存儲(chǔ)器SPI是訪問串行Flash、EEPROM等存儲(chǔ)器的常用接口，方便數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和讀取。3通信協(xié)議擴(kuò)展SPI可與其他通信協(xié)議配合使用，例如與UART或I2C結(jié)合實(shí)現(xiàn)更復(fù)雜的通信功能?；贗2C總線的串行通信1雙線通信僅使用兩根線，一根數(shù)據(jù)線(SDA)和一根時(shí)鐘線(SCL)。2多主控允許多個(gè)設(shè)備共享總線，并能互相通信。3低速率典型速度為100kHz或400kHz，適用于短距離低帶寬應(yīng)用。I2C總線是一種簡(jiǎn)單且流行的串行通信協(xié)議，適用于各種嵌入式系統(tǒng)。它采用雙線通信模式，僅需SDA和SCL兩根線即可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸。這種結(jié)構(gòu)非常緊湊，節(jié)省了硬件資源。I2C的工作原理和特點(diǎn)1雙線制通信I2C使用兩根數(shù)據(jù)線進(jìn)行通信，一根為數(shù)據(jù)線（SDA），另一根為時(shí)鐘線（SCL）。2主從式架構(gòu)I2C系統(tǒng)中，只有一個(gè)主設(shè)備，它控制數(shù)據(jù)傳輸過程。多個(gè)從設(shè)備可以連接到總線上，由主設(shè)備選擇要與之通信的從設(shè)備。3低速通信I2C是一種低速通信協(xié)議，其傳輸速率通常在100kHz至400kHz之間。4簡(jiǎn)單易用I2C協(xié)議簡(jiǎn)單易于理解和實(shí)現(xiàn)，適用于各種應(yīng)用場(chǎng)景。I2C的硬件電路和軟件接口I2C總線通常使用兩根信號(hào)線：SDA（數(shù)據(jù)線）和SCL（時(shí)鐘線）。I2C協(xié)議使用同步串行傳輸方式，通過SCL時(shí)鐘信號(hào)控制數(shù)據(jù)傳輸。I2C控制器負(fù)責(zé)生成時(shí)鐘信號(hào)和控制數(shù)據(jù)傳輸，包括地址識(shí)別、數(shù)據(jù)讀寫