《串行输入输出接口》课件

串行输入输出接口课程目标了解串行通信的基本概念和原理掌握常见的串行通信标准和协议学习串行通信硬件接口和软件接口了解串行通信的应用场景和典型案例什么是串行输入输出接口串行输入输出接口（简称串口）是一种常用的数据传输方式，它将数据按顺序一位一位地传输。与并行接口相比，串口使用一根或两根线传输数据，效率较低，但成本较低，更适合远距离传输数据。串行数据传输原理1数据位表示实际要传输的数据2起始位表示数据帧的开始3停止位表示数据帧的结束4校验位用于检测数据传输过程中的错误串行数据传输使用单根数据线按位顺序传输数据，每次只传输一个数据位。数据位、起始位、停止位和校验位构成一个完整的串行数据帧。同步串行传输和异步串行传输同步串行传输发送方和接收方使用同一个时钟信号同步数据传输。异步串行传输发送方和接收方使用各自的时钟信号，但通过起始位和停止位来同步数据传输。起始位、停止位和校验位起始位开始数据传输的标志，通常为低电平。停止位结束数据传输的标志，通常为高电平。校验位用于检测数据传输过程中的错误，保证数据完整性。波特率和数据传输速率波特率每秒传输的比特数数据传输速率每秒传输的字节数单工、半双工和全双工通信1单工通信数据只能单向传输，例如广播。2半双工通信数据可以在两个方向传输，但不能同时传输。3全双工通信数据可以在两个方向同时传输，例如电话。常见的串行标准RS-232最常用的串行标准之一，用于短距离通信，如计算机与外设之间连接。RS-422用于更长距离通信，支持更高的数据传输速率，常用于工业控制领域。RS-485多点通信标准，支持多个设备同时连接到同一总线上，用于工业自动化和仪器仪表领域。RS-232标准RS-232是应用最广泛的一种串行通信标准，它定义了数据信号和控制信号的电气特性以及数据传输速率等。RS-232标准主要应用于计算机与外设之间的通信，例如打印机、鼠标、键盘等。RS-422和RS-485标准RS-422标准采用差分信号传输，提高抗干扰能力。RS-485标准支持多点通信，适用于工业控制等环境。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组成,例如:UART,SPI,I2C控制器,以及相关的信号线。信号线典型的信号线包括:数据线(TX,RX),时钟线(SCLK),地址线(SDA),控制线(CS),等。接口标准串行接口遵循不同的标准,如:RS-232,RS-422,RS-485,SPI,I2C,等。串行通信软件接口1驱动程序驱动程序是操作系统与串行通信硬件之间的桥梁，负责管理硬件资源并提供统一的软件接口。2通信库通信库封装了底层驱动程序的细节，为应用程序提供更高层的通信接口，简化开发过程。3应用程序接口应用程序接口（API）为应用程序提供访问串行通信功能的标准方法，方便应用程序与硬件进行通信。串行通信控制指令发送指令用于控制串行接口的通信状态，例如启动、停止、复位等。接收指令用于接收来自串行接口的反馈信息，例如数据接收状态、错误信息等。数据指令用于发送或接收数据，例如字符数据、二进制数据等。串行通信中的时序参数时钟频率定义数据传输速率数据位一个字节包含的数据位数校验位用于确保数据传输的完整性停止位标记数据传输结束串行通信中的错误检测和纠正奇偶校验在数据帧中添加一个校验位，使数据位和校验位之和为奇数或偶数，以检测传输错误。循环冗余校验（CRC）在数据帧末尾添加一个CRC校验码，可以检测和纠正多种类型的传输错误。校验和将数据帧中所有字节的和进行模运算，并将结果作为校验和添加在数据帧中，用于检测数据错误。串行通信的功能扩展USB接口USB接口是串行通信技术的扩展，支持高速数据传输，广泛应用于外设连接。以太网以太网是一种基于串行通信的高速网络技术，支持高带宽和网络连接。无线通信无线通信技术利用电磁波进行数据传输，例如Wi-Fi，蓝牙等。基于UART的串行通信设计UART简介通用异步接收器/发送器（UART）是一种常用的串行通信接口，广泛应用于各种电子设备中。UART工作原理UART将并行数据转换为串行数据，反之亦然，并使用异步协议进行数据传输。UART硬件设计UART硬件电路通常包含接收器和发送器，以及控制逻辑电路。UART软件编程通过软件接口可以配置UART参数、发送和接收数据，并处理通信错误。UART的工作原理UART（通用异步收发器）是一种将并行数据转换为串行数据，并进行串行传输的芯片。它主要用于计算机系统与外部设备之间进行数据通信，例如连接串口设备，如鼠标、键盘、打印机等。UART内部包含两个主要模块：发送器和接收器。发送器将并行数据转换为串行数据，接收器将串行数据转换为并行数据。UART的工作原理是利用时钟信号控制数据发送和接收过程，并将数据编码成串行数据流。UART的硬件电路设计UART硬件电路主要由以下部分组成：-接收器：将串行数据转换为并行数据，并进行校验。-发送器：将并行数据转换为串行数据，并进行编码。-控制逻辑：控制UART的操作，例如发送/接收数据、设置波特率等。-时钟电路：为UART提供时钟信号，保证数据传输的同步。-缓冲区：存储待发送或接收的数据，提高传输效率。UART的软件接口编程驱动程序UART驱动程序提供访问UART硬件的功能，例如发送和接收数据。库函数UART库函数提供更高级别的接口，简化了UART编程。中断处理UART中断处理程序可以异步处理数据传输，提高系统效率。UART通信中的常见问题数据丢失由于线路干扰或信号衰减，导致数据丢失。数据错误由于线路噪声或其他因素，导致数据传输错误。通信速率不匹配发送端和接收端的波特率不一致，导致数据无法正常传输。基于SPI总线的串行通信1SPI概述SPI（SerialPeripheralInterface）是一种同步串行通信协议，广泛应用于嵌入式系统中。2数据传输SPI通过四线方式进行数据传输：SCK（时钟）、MOSI（主设备输出、从设备输入）、MISO（主设备输入、从设备输出）、SS（从设备选择）。3应用场景SPI适用于多种应用，如传感器数据采集、存储器读写、显示屏控制等。SPI的工作原理和特点同步时钟SPI使用一个单独的时钟信号来同步数据传输，确保主设备和从设备的数据同步。全双工SPI支持全双工通信，主设备和从设备可以同时进行数据发送和接收。高速传输SPI具有较高的传输速度，适合高速数据传输场景。SPI的硬件电路和软件接口SPI硬件电路通常由以下部分组成：主设备和从设备：主设备发起通信，从设备响应。时钟信号线(SCK)：由主设备控制，提供时钟同步。数据传输线(MOSI/MISO)：用于数据传输，MOSI为主设备到从设备的数据线，MISO为从设备到主设备的数据线。片选信号线(CS)：主设备通过CS线选择具体的从设备进行通信。SPI软件接口通常包含以下功能：初始化SPI设备，设置时钟速度、数据模式等参数。发送和接收数据，控制数据传输方向。读取状态寄存器，获取SPI设备状态信息。SPI通信中的应用场景1外设数据传输SPI常用于微控制器与外设之间的数据交换，例如传感器、存储器、显示屏等。2串行存储器SPI是访问串行Flash、EEPROM等存储器的常用接口，方便数据存储和读取。3通信协议扩展SPI可与其他通信协议配合使用，例如与UART或I2C结合实现更复杂的通信功能。基于I2C总线的串行通信1双线通信仅使用两根线，一根数据线(SDA)和一根时钟线(SCL)。2多主控允许多个设备共享总线，并能互相通信。3低速率典型速度为100kHz或400kHz，适用于短距离低带宽应用。I2C总线是一种简单且流行的串行通信协议，适用于各种嵌入式系统。它采用双线通信模式，仅需SDA和SCL两根线即可实现数据传输。这种结构非常紧凑，节省了硬件资源。I2C的工作原理和特点1双线制通信I2C使用两根数据线进行通信，一根为数据线（SDA），另一根为时钟线（SCL）。2主从式架构I2C系统中，只有一个主设备，它控制数据传输过程。多个从设备可以连接到总线上，由主设备选择要与之通信的从设备。3低速通信I2C是一种低速通信协议，其传输速率通常在100kHz至400kHz之间。4简单易用I2C协议简单易于理解和实现，适用于各种应用场景。I2C的硬件电路和软件接口I2C总线通常使用两根信号线：SDA（数据线）和SCL（时钟线）。I2C协议使用同步串行传输方式，通过SCL时钟信号控制数据传输。I2C控制器负责生成时钟信号和控制数据传输，包括地址识别、数据读写