同步通信原理

同步通信是一种连续串行传送数据的通信方式，一次通信只传送一帧信息。这里的信息帧与异步通信中的字符帧不同，通常含有若干个数据字符。

采用同步通信时，将许多字符组成一个信息组，这样，字符可以一个接一个地传输，但是，在每组信息（通常称为帧）的开始要加上同步字符，在没有信息要传输时，要填上空字符，因为同步传输不允许有间隙。在同步传输过程中，一个字符可以对应5～8位。当然，对同一个传输过程，所有字符对应同样的数位，比如说n位。这样，传输时，按每n位划分为一个时间片，发送端在一个时间片中发送一个字符，接收端则在一个时间片中接收一个字符。

同步传输时，一个信息帧中包含许多字符，每个信息帧用同步字符作为开始，一般将同步字符和空字符用同一个代码。在整个系统中，由一个统一的时钟控制发送端的发送和空字符用同一个代码。接收端当然是应该能识别同步字符的，当检测到有一串数位和同步字符相匹配时，就认为开始一个信息帧，于是，把此后的数位作为实际传输信息来处理。

异步通信原理

异步通信是一种很常用的通信方式。异步通信在发送字符时，所发送的字符之间的时间间隔可以是任意的。当然，接收端必须时刻做好接收的准备。发送端可以在任意时刻开始发送字符，因此必须在每一个字符的开始和结束的地方加上标志，即加上开始位和停止位，以便使接收端能够正确地将每一个字符接收下来。异步通信的好处是通信设备简单、便宜，但传输效率较低（因为开始位和停止位的开销所占比例较大）。

同步通信与异步通信区别：

1、同步通信要求接收端时钟频率和发送端时钟频率一致，发送端发送连续的比特流；异步通信时不要求接收端时钟和发送端时钟同步，发送端发送完一个字节后，可经过任意长的时间间隔再发送下一个字节。

2、同步通信效率高；异步通信效率较低。

3、同步通信较复杂，双方时钟的允许误差较小；异步通信简单，双方时钟可允许一定误差。

4、同步通信可用于点对多点；异步通信只适用于点对点。

同步是指：发送方发出数据后，等接收方发回响应以后才发下一个数据包的通讯方式。  
异步是指：发送方发出数据后，不等接收方发回响应，接着发送下个数据包的通讯方式。

同步是阻塞模式，异步是非阻塞模式。

其中SPI IIC为同步通信  UART为异步通信

异步通信-是一种很常用的通信方式。异步通信在发送字符时，所发送的字符之间的时间间隔可以是任意的。当然，接收端必须时刻做好接收的准备（如果接收端主机的电源都没有加上，那么发送端发送字符就没有意义，因为接收端根本无法接收）。发送端可以在任意时刻开始发送字符，因此必须在每一个字符的开始和结束的地方加上标志，即加上开始位和停止位，以便使接收端能够正确地将每一个字符接收下来

 同步通信-通信双方必须先建立同步，即双方的时钟要调整到同一个频率。收发双方不停地发送和接收连续的同步比特流。一种是使用全网同步，用一个非常精确的主时钟对全网所有结点上的时钟进行同步。一种是使用准同步，各结点的时钟之间允许有微小的误差，然后采用其他措施实现同步传输。同步通信是把所传送的数据以多个字节（100字节以上）为单位，在其前后添加标志。

在计算机系统中，CPU和外部通信有两种通信方式：并行通信和串行通信。而按照串行数据的时钟控制方式，串行通信又可分为同步通信和异步通信两种方式。

　　1、异步串行方式的特点

　　所谓异步通信，是指数据传送以字符为单位，字符与字符间的传送是完全异步的，位与位之间的传送基本上是同步的。异步串行通信的特点可以概括为：

　　①以字符为单位传送信息。

　　②相邻两字符间的间隔是任意长。

　　③因为一个字符中的比特位长度有限，所以需要的接收时钟和发送时钟只要相近就可以。

　　④异步方式特点简单的说就是：字符间异步，字符内部各位同步。

异步位系统是面向字符来传输信息的，也就是我们一般情况下的一个字符，8位，1bit，当然了传输的时候还要加上起始位和结束位，没有这两位接收方就不知道什么时候开始接收数据什么时候结束了。如此一来字符与字符之间就不是连着的，打个比喻，就像秋天的叶子一样，一片一片往下落。发送方和接收方不要求同步，就是说你想什么时候落就什么时候落，我都接着，用不着先通知我

　　2、异步串行方式的数据格式

　　异步串行通信的数据格式如图8-1所示，每个字符（每帧信息）由4个部分组成：

　　①1位起始位，规定为低电0；

　　②5～8位数据位，即要传送的有效信息；

　　③1位奇偶校验位；

　　④1～2位停止位，规定为高电平1。

　　                                                                     图1 异步串行数据格式

　　3、同步串行方式的特点

　　所谓同步通信，是指数据传送是以数据块（一组字符）为单位，字符与字符之间、字符内部的位与位之间都同步。同步串行通信的特点可以概括为：

　　①以数据块为单位传送信息。

　　②在一个数据块（信息帧）内，字符与字符间无间隔。

　　③因为一次传输的数据块中包含的数据较多，所以接收时钟与发送进钟严格同步，通常要有同步时钟。

同步位系统就不同了，他要求发送方与接收方严格的同步，二者波特率要相同。

同步位系统传输的什么呢，不是字符，是字符组合，也就是帧，我们在OSI数据链路层可以学习到。帧的长度没有规定，传输的时候视情况而定吧。这个帧里面包含了同步信息，来通知接收方调整以同步。这里再打个比喻，前面我们说异步位系统传输的数据像树叶，那么同步位系统传输的就像是把这些树叶串成一串，是连续的。

　　4、同步串行方式的数据格式

　　同步串行通信的数据格式如图8-2所示，每个数据块（信息帧）由3个部分组成：

　　①2个同步字符作为一个数据块(信息帧)的起始标志；

　　②n个连续传送的数据

　　③2个字节循环冗余校验码(CRC)

　　                                                                      图2 同步串行数据格式

5.用途：

同步串行：通信网中，有大批量数据需要传输

异步串行：应用于在工业、实际应用中。适用于短距离、速率不高的情况下。

同步位系统比异步位系统要实用高效。这个比较好理解，计算机对帧的处理比对字符要少的多，在传送相同大小的数据量的时候，计算机要对大量的字符进行开始与结束操作，帧则要少的多。同时同步位系统的下的网络效率也更高，因为每个字符都至少包含两位的开始结束信息，这个在数据量大的时候开销是很客观的。

 时钟在通信中的作用就是在数据收发时起协调作用的，异步时钟用到比较少，同步时钟肯定会用到。

1. 同步时钟

时钟同源可称为同步时钟，不过时钟频率相同、相位差固定，以及时钟频率比为整数倍的时钟也可称为同步时钟，其重点在于对于每个发起时钟沿，其捕获时钟沿 都是确定且合理的

● 同源时钟：时钟产生的源头相同，例如PLL，相位不需要相同，只要求相位固定。

1.1. 同源同频

说明两个时钟的相位差是常数

同相位

不解释

不同相位

我们从公式去分析，STA中只有建立时间检查与时钟有关，而对于同频不同相位的时钟而言，公式变成

$$T_{setup}^{UFF1}<T_{△phase}+T_{clk2UFF1}-(T_{clk2UFF0}+T_{CK2Q}^{UFF0}+T_{UFF02UFF1})\text{\hspace{1em}(a)}$$

$(a)$式中的相位偏差$T_{△phase}$替换了原来的时钟周期$T_{clk}$。

注意一定有$T_{△phase}<T_{clk}$成立，距离发起沿最近的时钟沿才是捕获沿。

在这种情况下，$(a)$式依旧可以满足，不过有了一些变化

● $T_{△phase}$不能过小，否则亚稳态

一般来说时钟周期$T_{clk}$比建立时间$T_{setup}^{UFF1}$还是大很多的，但是这里的相位差$T_{△phase}$可就不一定了，谁知道大多少呢？

● 组合逻辑 $T_{UFF02UFF1}$要求更严格了， 即能取到的最大值更小了

相比于同源同频同相，同源同频不同相的$(a)$式右侧被减数变小了，又因为是同源$T_{clk2UFF1}-T_{clk2UFF0}-T_{CK2Q}^{UFF0}$没变化，所以要想继续满足该不等关系，减数能取到的最大值变小了。

注意，此处说的是产生时钟的这个时钟源是同频固定相位差的，不是时钟偏斜导致沿到达各触发器CK端的时间存在相位差

1.2. 同源 整数倍分频

2. 异步时钟

2.1. 不同源

2.2. 同源 非整数倍分频

2.3. 同源 整数倍分频 不满足时序要求

前言：

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1. 概述

1.1 同步通信原理

同步通信： 发送端在发送串行数据的同时，提供一个时钟信号，并按照一定的约定（例如：在时钟信号的上升沿的时候，将数据发送出去）发送数据，接收端根据发送端提供的时钟信号，以及大家的约定，接收数据。如：I2C、SPI等有时钟信号的协议，都属于这种通信方式。
IIC:

SPI:

同步通信中双方使用频率一致的时钟，它的数据分组比异步则大得多，称为一个数据帧。通过独特的 bit 串作为启停标识。发送方要以固定的节奏去发送数据，而接收方要时刻做好接收数据的准备，识别到前导码（同步字节：1-2个字节）后马上要开始接收数据了。同步这种方式中因为分组很大，很长一段数据才会有额外的辅助位负载，所以效率更高，更加适合对速度要求高的传输，当然这种通信对时序的要求也更高。

1.2 异步通信原理

异步通信： 接收方并不知道数据什么时候会到达，收发双方可以有各自自己的时钟。发送方发送的时间间隔可以不均，接收方是在数据的起始位和停止位的帮助下实现信息同步的。这种传输通常是很小的分组，比如：一个字符为一组，数据组配备起始位和结束位。所以这种传输方式的效率是比较低的，因为额外加入了很多的辅助位作为负载，常用在低速的传输中。

串口通信：
在异步通信方式中，发送方只发送数据帧，不传输时钟，发送和接收双方必须约定相同的传输率。当然双方实际工作速率不可能绝对相等，但是只要误差不超过一定的限度，就不会造成传输出错。

1.3 同步通信与异步通信区别：

（1）同步通信要求接收端时钟频率和发送端时钟频率一致，发送端发送连续的比特流；异步通信时不要求接收端时钟和发送端时钟同步，发送端发送完一个字节后，可经过任意长的时间间隔再发送下一个字节。

（2）同步通信效率高；异步通信效率较低。

（3）同步通信较复杂，双方时钟的允许误差较小；异步通信简单，双方时钟可允许一定误差。

（4）同步通信可用于点对多点；异步通信只适用于点对点。

1.4 异步通信的差错类型

异步通信过程中，可能发生的通信错误一般有3种：

（1）帧格式错：在应该接收到停止位的时候，接收到逻辑的 “0”，便产生帧格式错误；

（2）奇偶错：接收到的奇偶校验位错；

（3）覆盖错：通信接口接收到数据并存放到数据输入寄存器中，但是CPU没有及时来取，后面新接收的数据覆盖了前面收到的数据，叫做覆盖错。

发生帧格式错和奇偶错的原因可能为下面几种：

（1）发送和接收双方采用了不同的传输率，或虽然双方约定了相同的传输率，但传输率不可能绝对相等。在通信的速率比较高的情况下，如果双方的传输率误差达到一定的程度，也会造成通信出错。比如：主 MCU 与外设进行通信时，如果两边的频率偏差比较大，就可能造成误差的积累，最终导致传输过程中数据的错误。

（2）通信双方采用了不相同的帧格式；

（3） 干扰。

1.5 异步串行方式的数据格式

异步串行通信的数据一个字符一个字符地传输，每个字符一位一位地传输，并且传输一个字符时，总是以“起始位”开始，以“停止位”结束，字符之间没有固定的时间间隔要求。每一个字符的前面都有一位起始位(低电平)，字符本身由7位数据位组成，接着字符后面是一位校验位(检验位可以是奇校验、偶校验或无校验位)，最后是一位或一位半或二位停止位，停止位后面是不定长的空闲位，停止位和空闲位都规定为高电平。实际传输时每一位的信号宽度与波特率有关，波特率越高，宽度越小，在进行传输之前，双方一定要使用同一个波特率设置。

异步串行通信的数据每个字符（每帧信息）由 4 个部分组成：

（1）1 位起始位，规定为低电0；

（2）5～8 位数据位，即要传送的有效信息；

（3）1 位奇偶校验位；

（4）1～2 位停止位，规定为高电平 1。

1.6 通信传输速率=

波特率：

电子通信领域，波特率即调制速率，指的是信号被调制以后在单位时间内的波特数，即单位时间内载波参数变化的次数。它是对信号传输速率的一种度量，通常以“波特每秒”（Bps）为单位。 波特率有时候会同比特率混淆，实际上后者是对信息传输速率（传信率）的度量。波特率可以被理解为单位时间内传输码元符号的个数（传符号率），通过不同的调制方法可以在一个码元上负载多个比特信息。

波特率与比特率：

比特率： 在数字信道中，比特率是数字信号的传输速率，它用单位时间内传输的二进制代码的有效位 (bit) 数来表示，其单位为每秒比特数 bit/s(bps)、每秒千比特数 (Kbps) 或每秒兆比特数 (Mbps) 来表示。

波特率： 指数据信号对载波的调制速率，它用单位时间内载波调制状态改变次数来表示，其单位为波特(Baud)。 波特率与比特率的关系为：比特率 = 波特率 X 单个调制状态对应的二进制位数。

显然，两相调制(单个调制状态对应 1 个二进制位)的比特率等于波特率；四相调制(单个调制状态对应 2 个二进制位)的比特率为波特率的两倍；八相调制(单个调制状态对应 3 个二进制位)的比特率为波特率的三倍；依次类推。

参考:

1.同步串行与异步串行通信

2.串口通信技术浅析

3.同步通信与异步通信区别

4.通俗理解同步通信与异步通信