通信和通訊是一個意思，網(wǎng)上多有兩詞混用的，沒什么區(qū)分的必要，都指的是數(shù)據(jù)/信息的傳輸。本文使用通信一詞。

一.通信分類

1.1 串行通信和并行通信

串行通信和并行通信都是計(jì)算機(jī)科學(xué)中的概念，指的都是計(jì)算機(jī)內(nèi)部或者計(jì)算機(jī)與外設(shè)之間的通信方式。

串行通信：Serial communication，是指使用一條數(shù)據(jù)線（另外需要地線，可能還需要控制線），將數(shù)據(jù)一位一位地依次傳輸，如下圖所示。

并行通信：Parallel communication，是指使用多條數(shù)據(jù)線，同時(shí)傳輸多bit數(shù)據(jù)，如下圖所示。

計(jì)算機(jī)通信經(jīng)歷了從串行 -> 并行 -> 串行的發(fā)展歷程。

最開始，人們采用串行通信，因?yàn)槟菚r(shí)計(jì)算機(jī)和外設(shè)的數(shù)據(jù)處理速度都較慢，需要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量較小，所以串行通信就能滿足需求了。

但隨著計(jì)算機(jī)的發(fā)展，要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量加大，一次傳輸一bit太慢了，所以通信方式開始轉(zhuǎn)向并行通信，一次可以傳輸多bit數(shù)據(jù)。理論上，并行通信的傳輸速率是串行數(shù)據(jù)的N倍（N為并行數(shù)據(jù)線的條數(shù)）。顯然，要提高并行通訊的傳輸速度有兩個辦法：

一是增加數(shù)據(jù)線的條數(shù)，條數(shù)增加則需要消耗更多的芯片接口，也需要更多的PCB走線和物理信號線；

二是增加發(fā)送時(shí)鐘的頻率，使得一個bit占用的時(shí)間變少。

數(shù)據(jù)線條數(shù)不能一直增加，它受到實(shí)際物理?xiàng)l件的限制，那增加發(fā)送時(shí)鐘頻率貌似是個好辦法。當(dāng)人們將時(shí)鐘頻率上升到幾MHz甚至幾十MHz的時(shí)候，并行通信的多通道同步問題開始出現(xiàn)，即接收方要成功解碼出發(fā)送的數(shù)據(jù)需要幾個數(shù)據(jù)通道的數(shù)據(jù)同時(shí)到達(dá)，否者數(shù)據(jù)就會錯亂。例如，8根數(shù)據(jù)線的并行通信，先傳輸8bit數(shù)據(jù)0000_0000，再傳輸1111_1111，當(dāng)發(fā)送時(shí)鐘很快時(shí)，因?yàn)槊扛鶖?shù)據(jù)線長度不一致以及線路上寄生參數(shù)的影響，有的通道bit到達(dá)快，有的到達(dá)慢，這時(shí)接收方就無法還原出真實(shí)的發(fā)送數(shù)據(jù)，對接受方來說，收到的可能是0011_0111，這就是數(shù)據(jù)錯亂。

當(dāng)發(fā)送速度（MHz/GHz）太快時(shí)，并行通信數(shù)據(jù)通道間的同步變得極其困難，甚至根本不可能。

這時(shí)候人們發(fā)現(xiàn)，串行通信就沒有通道同步問題，發(fā)送時(shí)鐘頻率可以很快，可以達(dá)到幾十甚至上百GHz，這時(shí)串行通信的傳輸速度大大超過了并行通信，而且使用的信號線更少，于是人們又開始將串行通信作為計(jì)算機(jī)通信的主要方式。

1.2 單工通信，半雙工通信和全雙工通信

單工通信，Simplex communication，數(shù)據(jù)只能從一個方向向另一個方向傳輸，而不能反過來，如數(shù)據(jù)只能A發(fā)送B接收，而不能B發(fā)送A接收。相關(guān)應(yīng)用：電視、廣播。

半雙工通信，Half Duplex communication，數(shù)據(jù)可以雙向傳輸，但是，在同一時(shí)刻，只允許數(shù)據(jù)在一個方向上傳輸，它實(shí)際上是一種切換方向的單工通信。相關(guān)應(yīng)用：對講機(jī)。

全雙工通信，Full Duplex communication，數(shù)據(jù)允許同時(shí)在兩個方向上傳輸，它要求數(shù)據(jù)兩頭的設(shè)備都有獨(dú)立的發(fā)送和接收數(shù)據(jù)的能力。相關(guān)應(yīng)用：電話。

二. 同步通信和異步通信

并行通信因?yàn)閼?yīng)用少，并沒有去區(qū)分同步還是異步。只有串行通信有同步異步的區(qū)分。

同步和異步通過什么特征來區(qū)分眾說紛紜，大概有兩種流派：

發(fā)送方和接收方共用一條時(shí)鐘線的稱為同步通信，如SPI；不共用時(shí)鐘線則稱為異步通信，如CAN。

數(shù)據(jù)中有同步字符的，像以太網(wǎng)中的前導(dǎo)碼，以接收到同步字符視為數(shù)據(jù)字符的開始的通訊方式稱為同步通信，反之，異步通訊中沒有同步字符，而以起始bit位和停止bit位作為數(shù)據(jù)開始和結(jié)束的標(biāo)志，如UART。

個人認(rèn)為流派1邏輯更清晰，流派2以同步字符/起始位停止位來區(qū)分不夠抽象。

2.1 同步通信

發(fā)送方和接收方共用一條時(shí)鐘線，如下圖所示。

2.2 異步通信

異步通信不傳輸時(shí)鐘，但接收方時(shí)鐘仍然必須和發(fā)送方保持一致，這就有兩個辦法：一是雙方約定好以哪個時(shí)鐘頻率收發(fā)數(shù)據(jù)；二是接收方根據(jù)數(shù)據(jù)的一些特點(diǎn)推斷出發(fā)送數(shù)據(jù)的時(shí)鐘頻率，這個技術(shù)稱為時(shí)鐘恢復(fù)技術(shù)，使用最廣泛地時(shí)鐘恢復(fù)技術(shù)就是PLL（Phase-Locked Loop，鎖相環(huán)）技術(shù)。

2.3 特別說明

需要特別說明的是，同步/異步通信并沒有什么明確的定義，本文也是根據(jù)各種書籍以及網(wǎng)絡(luò)資料總結(jié)給出的兩者定義，可能與其它地方的說法不同。

三. 常見通信詞匯的含義

3.1 比特率

比特率_百度百科 (baidu.com)

比特率 - 維基百科，自由的百科全書 (wikipedia.org)

比特率（Bit Rate）在電信和計(jì)算領(lǐng)域是指單位時(shí)間內(nèi)傳輸送或處理的比特的數(shù)量。這時(shí)連接速度、傳輸速度、數(shù)字帶寬容量都是比特率的同義詞。在音視頻領(lǐng)域，比特率是碼率的同義詞，用來表征音視頻的質(zhì)量。

比特率單位是bit per second（比特每秒，bit/s 或 bps），通常與“千”，“兆”關(guān)聯(lián)使用，如kbps，Mbps，Gbps，換算關(guān)系如下：

1Gbps = 10³Mbps = 10⁶kbps = 10⁹bps

3.2 帶寬

帶寬 (計(jì)算機(jī)) - 維基百科，自由的百科全書 (wikipedia.org)

帶寬 - 維基百科，自由的百科全書 (wikipedia.org)

帶寬_百度百科 (baidu.com)

帶寬一詞應(yīng)用的領(lǐng)域非常多，在無線電通信中，帶寬是調(diào)制載波占據(jù)的頻率范圍。

對模擬信號來說，帶寬又稱頻寬，單位是Hz，通常我們說的示波器帶寬，濾波器帶寬都是指的頻寬。

在數(shù)字通信領(lǐng)域，帶寬指的是單位時(shí)間內(nèi)能傳輸?shù)淖畲髷?shù)據(jù)量，單位是bps，簡單來說，帶寬 = 最大比特率。

為了防止混淆，在描述通信速度時(shí)，不要使用帶寬一詞，而用比特率來描述，這樣不會引起歧義。

3.3 波特率

波特率 - 維基百科，自由的百科全書 (wikipedia.org)

波特率_百度百科 (baidu.com)

波特（Buad，簡寫B(tài)d）指的是有效數(shù)據(jù)訊號調(diào)制載波的速率，即單位時(shí)間內(nèi)載波狀態(tài)變化的次數(shù)，調(diào)制速率是波特的同義詞。

關(guān)于波特有兩個個易錯點(diǎn)需要注意：

波特本身已經(jīng)是速率，所以不需要寫成Buad Rate，一般中文口語化的溝通上還是常以“波特率”來描述“波特”，其實(shí)是不嚴(yán)謹(jǐn)?shù)?#xff0c;但也不能說錯

波特表示的是變化的次數(shù)，是個純數(shù)字量，是沒有單位的，以“波特每秒”（Baud per second）為單位是一種常見的錯誤

為解釋清楚波特的概念，這里引入另一個名詞——碼元。

在數(shù)字通信中，常常用時(shí)間間隔相同的符號來表示數(shù)字。這樣的時(shí)間間隔內(nèi)的信號稱為碼元，這個間隔稱為碼元長度。而波特率就是表征碼元傳輸速率單位，它表示單位時(shí)間傳輸了多少個碼元。

波特和比特率有時(shí)會混淆，兩者都是對通信速率的描述，但并不等同，實(shí)際上波特與比特率的換算關(guān)系如下：

比特率 = 波特 * log₂N，其中N為碼元的狀態(tài)數(shù)，舉例說明：

如果在數(shù)字傳輸過程中，用0V表示數(shù)字0，5V表示數(shù)字1，那么每個碼元有兩種狀態(tài)0和1（N=2），每個碼元代表一個二進(jìn)制數(shù)字。此時(shí)的每秒碼元數(shù)和每秒二進(jìn)制數(shù)是一樣的，這叫兩相調(diào)制，波特率等于比特率。

如果在數(shù)字傳輸過程中，0V、2V、4V和6V分別表示00、01、10和11，那么每個碼元有四種狀態(tài)00、01、10和11（N=4）。每個碼元代表兩個二進(jìn)制數(shù)字。此時(shí)的每秒碼元數(shù)是每秒二進(jìn)制數(shù)是一半的，這叫四相調(diào)制，波特率等于比特率的一半。

3.4 通信協(xié)議與通信標(biāo)準(zhǔn)

網(wǎng)絡(luò)傳輸協(xié)議 - 維基百科，自由的百科全書 (wikipedia.org)

通信協(xié)議_百度百科 (baidu.com)

收發(fā)雙方要能夠交換數(shù)據(jù)就必須遵守同一套規(guī)則，通信協(xié)議就是通信的規(guī)則。它規(guī)定了通信的內(nèi)容，通信的方式和通信的時(shí)間。

通信協(xié)議主要由以下三個要素組成：

語法：即如何通信，包括數(shù)據(jù)的格式、編碼和信號等級（電平的高低）等。

語義：即通信內(nèi)容，包括數(shù)據(jù)內(nèi)容、含義以及控制信息等。

時(shí)序：即何時(shí)通信，明確通信的順序、速率匹配和排序。

通訊標(biāo)準(zhǔn)指的是那些經(jīng)過權(quán)威機(jī)構(gòu)（如IEEE，ISO，中國國家標(biāo)準(zhǔn)委員會）認(rèn)證并發(fā)布的通訊協(xié)議，通信標(biāo)準(zhǔn)通常規(guī)定了通信協(xié)議的各個細(xì)節(jié)，它主要是為了保證收發(fā)雙方在設(shè)計(jì)時(shí)都有確定的參考。舉個例子：電腦外設(shè)廣泛使用的USB就是一種通訊標(biāo)準(zhǔn)，鍵盤和主板廠商不需要事先溝通，它們只要都遵照USB標(biāo)準(zhǔn)去設(shè)計(jì)，最后設(shè)計(jì)好的鍵盤插到主板USB接口上就能正常通訊。

通訊協(xié)議是一個寬泛地概念，我們自己也可以發(fā)明各種通訊協(xié)議，而只有那些優(yōu)秀的，為大眾接受的通信協(xié)議才能并發(fā)布為通信標(biāo)準(zhǔn)。當(dāng)然，很多通信標(biāo)準(zhǔn)都被淘汰了，但它們幾乎都流行過。

對于那些我們常聽說的通信協(xié)議，幾乎都是通信標(biāo)準(zhǔn)，所以，大部分時(shí)候通信協(xié)議和通信標(biāo)準(zhǔn)是同義詞。

3.5 通信物理接口

我們經(jīng)常說USB接口，網(wǎng)口，HDMI口，這里說道的接口其實(shí)有兩個含義：一是指USB協(xié)議，以太網(wǎng)協(xié)議等；二是指物理上的接口，像USB那反人類的無法正反插從外觀上又無法直接知道連接方向的USB口（如下圖），或是標(biāo)準(zhǔn)的RJ45網(wǎng)口（如下圖）。

這里的USB接口既包含了USB協(xié)議也包含了物理上的USB口，這里因?yàn)閁SB標(biāo)準(zhǔn)在規(guī)定了數(shù)據(jù)通信協(xié)議的同時(shí)也將物理接口一并規(guī)定了，所以很多時(shí)候我們說xx接口其實(shí)既指通信協(xié)議也指通信物理接口。

但是，還是有大量的通信標(biāo)準(zhǔn)是只規(guī)定了通信協(xié)議，而沒有指定物理接口的，最常見的就是UART，這時(shí)一般就不說UART接口，因?yàn)閁ART是沒有標(biāo)準(zhǔn)物理接口的，而只說UART協(xié)議。

所以，當(dāng)學(xué)習(xí)通信標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，要特別注意此標(biāo)準(zhǔn)是否規(guī)定了物理接口，這對于理解協(xié)議、設(shè)計(jì)通信電路都是很重要的。

通常我們從物理接口上也能大致知道這個通信協(xié)議是高速的還是低速的，一般pin腳小而排布密集的是高速接口，pin腳間距大的則是低速接口。這里因?yàn)楦咚俳涌谕ǔＪ遣罘肿呔€，差分pin排布密集。

To be continue…

四. 總結(jié)

本文主要介紹了數(shù)據(jù)通信的一些基本概念，包括通信分類，同步/異步通信，以及一些常見的通信名詞的解釋。在深入學(xué)習(xí)各種通信協(xié)議之前，了解清楚這些基本概念是很有必要的。因本人對通信的理解還不深入，雖然查閱了相當(dāng)多的資料，但也難免錯漏，如發(fā)現(xiàn)錯漏，歡迎在評論區(qū)指出。

總結(jié)

以上是生活随笔為你收集整理的数据通信的基本概念的全部內(nèi)容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

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