有线通信协议基础

提到通信协议，除了常见的HTTP、TCP/IP等网络协议和Modbus等应用层协议外，嵌入式系统中，还广泛使用UART、I2C、SPI等芯片间通信协议，CAN等工业总线，USB、PCIe等高速接口，以及Bluetooth、WiFi、ZigBee等无线协议。

需要注意的是像RS-485、RS-232、TTL等主要定义的是电气特性或物理层规范，而不是完整的通信协议。

1. UART

UART（Universal Asynchronous Receiver/Transmitter，通用异步收发传输器）即常说的串口。

特点：

• 异步通信：不需要共享时钟信号；
• 点对点连接：通常是一对设备直接通信；
• 全双工通信：独立的发送（TX）和接收（RX）线路，可同时发送和接收数据；
• 简单协议：只需要少量的引脚和基本配置即可通信；
• 速度有限：通常低于 1 Mbps；

UART通常使用两根信号线：TX（Transmit）：发送端口，负责将数据发送出去。RX（Receive）：接收端口，负责接收数据。

为了实现通信，设备之间需要交叉连接，另外，为了提升通信可靠性，有时会加上地线确保两个设备有共同的电位参考。

1.1. UART工作原理

UART使用异步方式进行数据传输，这意味着它不需要共享时钟，而是依赖双方约定好的波特率（Baud Rate，1秒内传送bit的数量）来同步数据。只要波特率相同，一般就可正常解析数据。

在使用过程中，我们可以直接配置GPIO复用使用硬件UART资源，当硬件资源不够时通过软件模拟串口实现，当然软件模拟串口有一定的局限性。

1.2. UART的基本通信过程

sequenceDiagram
    participant 发送端
    participant 接收端
    发送端 ->> 发送端: 开始位 (发送低电平，通常低电平当作起始位)
    发送端 ->> 接收端: Data Bit 1 (发送数据位)
    发送端 ->> 接收端: Data Bit 2
    发送端 ->> 接收端: Data Bit 3
    发送端 ->> 接收端: Data Bit 4
    发送端 ->> 接收端: Data Bit 5
    发送端 ->> 接收端: Data Bit 6
    发送端 ->> 接收端: Data Bit 7
    发送端 ->> 接收端: Data Bit 8
    发送端 ->> 接收端: 停止位 (发送高电平，通常高电平当作结束位)
    接收端 ->> 接收端: 逐位接收数据，并将其组成完整的字节

1.3. UART应用场景

• 设备调试和日志输出（如串口调试工具）；
• MCU（微控制器）之间的数据交换；
• 外设通信（如 GPS 模块、蓝牙模块、Wi-Fi 模块）；
• 传感器数据采集；
• 嵌入式系统的固件升级（如通过串口烧录程序）；

1.4. USART

带时钟信号（SCK）的串口通信，可以实现同步模式，不过通常都用异步模式。

特点：

• 共享时钟：发送和接收的数据会根据时钟信号的上升或下降沿来确定；
• 不需要波特率同步：由于时钟线同步数据，接收端可以不依赖波特率来确定接收时机；
• 高数据传输速率：同步模式通常比异步模式具有更高的可靠性和更快的传输速度；

1.5. TTL/RS232/RS485通信标准

他们是一种常见的串行通信标准。它定义了串行通信的电气特性，如电平、接线等。

TTL（Transistor-Transistor Logic）：

• 是一种电平标准；
• 逻辑“0”：在 TTL 中，逻辑“0”通常对应 0V 到 0.8V 的电压范围。也就是低电平；
• 逻辑“1”：逻辑“1”通常对应 2V 到 5V 的电压范围。也就是高电平；
• 抗干扰能力弱；

RS232（Recommended Standard 232）：

• RS232使用负电平和正电平来表示逻辑“0”和“1”；
• 逻辑“0”表示-12V，通常对应-3V到-15V的电压范围；
• 逻辑“1”表示+12V，通常对应3V到15V的电压范围；
• 接口连接具有多根信号线，包括TX、RX、RTS（请求发送）、CTS（清除发送）等；
• RS232 的有效传输距离一般较短（通常为15米以内）；
• 抗干扰能力较TTL有所增强；

RS485（Recommended Standard 485）：

• RS485使用差分信号来传输数据，通过 A（+） 和 B（-） 两根信号线传输数据，具有更强的抗干扰能力和更远的通信距离；
• 逻辑“0”表示信号A小于信号B；
• 逻辑“1”表示信号A大于信号B；
• 多点通信：支持多点通信（即多个设备共享同一条总线），最多可以连接 32 个设备；
• 通信距离：RS485 能够支持更长的通信距离（通常为 1200 米）和更高的传输速率（最高可达 10 Mbps）；
• 使用双绞线由两根相互绝缘的导线相互缠绕而成，特别适合差分信号传输场合，与平行线相比，可以更有效地抑制干扰；

TTL、RS232和RS485电平标准不同，通常需要通过电平转换器来实现它们之间的互通。常用的MAX232（RS232转TTL）或 MAX485（RS485转TTL）来进行电平转换和实现不同设备之间的通信。

2. I2C

I2C（Inter-Integrated Circuit，一种内部芯片之间的通信），是一种高效的双线通信协议，是一种低成本、简单、可靠的短距离通信。它解决了硬件复杂、设备寻址、多设备管理等问题，广泛用于传感器、存储设备、显示屏等外围设备与MCU的通信的场景。

I2C通常使用两根信号线：SCL（时钟线）、SDA（数据线），以及地线、3.3V。此外，SCL和SDA都是开漏设计，需要接上拉电阻，拉到高平。

特点：

• 简单的双线通信：SCL（时钟线）、SDA（数据线），简化硬件连接和PCB布线；
• 支持多主多从模式，设计使用7位或10位设备地址码，同一总线上可以连接多个从设备，通过地址区分；防止多个主设备同时操作总线引发冲突，需要引入总线仲裁；
• 双向，半双工通信协议；
• 多速率支持（100kHz、400kHz、3.4MHz）；
• 应答机制，ACK/NACK 应答机制，每个字节传输后需接收方确认（ACK）；
• 采用TTL电平；

2.1. 物理层

I2C总线内部采用开漏电路驱动，意味着I2C没有输出能力，依靠外部上拉电阻。因此只要总线上有一个设备拉低电平，整个总线的电平都会被拉低。

这里需要考虑隔离故障。

2.2. I2C工作原理

I2C由时钟线和数据线共同作用，来实现信号的发送接收:

• 数据传输是通过在SCL线的时钟脉冲引导下进行的。每次时钟脉冲时，SDA线上会传输一个数据位；
• 逻辑“1”：SCL一次脉冲，SDA高电平；逻辑“0”：SCL一次脉冲，SDA低电平；
• 起始信号定义：在SCL高电平期间，SDA从高电平跳变为低电平，表示I2C通信开始；
• 停止信号定义：在SCL高电平期间，SDA从低电平跳变为高电平，表示I2C通信结束；
• ACK（应答，确认信号）：接收方在接收每个字节后，拉低SDA，表示成功接收数据；
• NACK（非应答）：接收方在接收数据后，保持SDA高电平，表示未成功接收数据或不需要更多数据；

2.3. I2C的基本通信过程

sequenceDiagram
    participant 主机
    participant 从机
    主机 ->> 主机: 起始信号 (SDA在SCL高电平时拉低，表示通信开始)
    主机 ->> 从机: 发送设备地址 (SDA->ADDR, SCL产生时钟脉冲)
    从机 ->> 主机: 发送应答 (从机拉低SDA表示接收成功)
    主机 ->> 主机: 发送数据 (SDA->DATA, SCL产生时钟脉冲)
    从机 ->> 主机: 发送应答 (从机拉低SDA表示接收成功)
    主机 ->> 主机: 发送停止位(SDA在SCL高电平时拉高，表示通信结束)

像STM32部分GPIO有配置I2C硬件资源，硬件模块会自动处理大部分时序，大大简化了I2C通信的实现，开发者只需要配置相应的参数（如时钟速度、I2C模式等），然后就可以使用简单的API进行数据传输。

2.4. 硬件I2C与软件I2C（模拟I2C）的区别

当然也可以在单片机上模拟I2C通信（即使用软件模拟I2C）这种方法并不依赖于硬件I2C模块，而是通过GPIO引脚手动控制时钟（SCL）和数据（SDA）线的电平变化来模拟I2C的时序。

硬件I2C通常指硬件模块实现的，直接通过寄存器配置控制时序。

• 优点：
  • 速度快，支持各种I2C模式，往往支持1Mhz以上甚至更高；
  • 硬件自动处理时序；
  • 稳定；
  • 无须CPU参与；
• 缺点：
  • 兼容性问题；
  • 引脚固定；

软件I2C通常指通过配置GPIO模拟时序，通过软件控制高低电平时序。

• 优点：
  • 不依赖硬件，灵活；
  • 兼容性强；
• 缺点：
  • 效率低，速度慢；
  • 稳定性差，容易收到中断等高优先级任务打断；

3. SPI

SPI（Serial Peripheral Interface，串行外围设备接口），与I2C和UART相比，SPI在速度和灵活性方面具有优势，因此适合用于高速数据传输的应用。

特点：

• 全双工通信，主设备通过MOSI线发送数据，同时接收来自从设备的数据（通过MISO线）；
• SPI是同步时钟，所有数据的传输都由主设备生成的时钟信号（SCK）来同步；
• 支持一主多从，主设备通过控制每个从设备的SS线来选择通信对象(因此不需要设备地址)，不过这样的化，每增加一个从设备，都需要额外的SS线，这会占用更多的GPIO引脚；
• SPI支持更高的数据传输速率，速度可以根据时钟频率和传输位宽来调节，常见速率可以达到几十Mbps;
• 有四种工作模式；
• 可调节的传输位宽；
• 不支持错误检测，依赖硬件可靠性，或者协议上的设计（CRC校验）来保证数据可靠；

SPI协议是一种主从式通信协议，其中一个设备（主设备）控制通信过程，而其他设备（从设备）响应主设备的请求。SPI使用四根线来传输数据：

• MOSI(Master Out Slave In，主设备发送数据线)；
• MISO(Master In Slave Out，主设备接收数据线)；
• SCK(Serial Clock，时钟线)；
• SS(Slave Select，时钟线)；
• 当然这里还需要需要电源和共参考的地线；

3.1. SPI工作原理

• 主设备选择从设备：通过控制SS线来选择一个特定的从设备。选择的方式是将SS线拉低；
• 时钟信号同步：主设备通过SCK线提供时钟信号，所有设备都会根据时钟信号来同步数据传输。数据在时钟的上升沿或下降沿被捕捉，取决于SPI的模式设置；
• 数据传输：数据从主设备通过MOSI线发送到从设备，从设备通过MISO线返回数据到主设备；
• 结束通信：主设备通过将SS线拉高来停止与从设备的通信，表示当前数据传输结束；

SPI协议支持多种工作模式，，这些模式的主要区别在于时钟极性（CPOL）和时钟相位（CPHA）的不同设置。两者决定了数据传输的时序：

• CPOL（Clock Polarity）：控制时钟信号的空闲状态（高电平或低电平）。如果CPOL为0，则时钟在空闲时为低电平；如果CPOL为1，则时钟在空闲时为高电平；
• CPHA（Clock Phase）：控制数据的采样时刻。CPHA决定了数据在时钟的哪个边沿被采样（上升沿或下降沿）；

SPI有四种常见模式，分别由CPOL和CPHA的不同组合产生：

• 模式0：CPOL=0, CPHA=0（时钟空闲时低，数据在时钟的上升沿采样）；
• 模式1：CPOL=0, CPHA=1（时钟空闲时低，数据在时钟的下降沿采样）；
• 模式2：CPOL=1, CPHA=0（时钟空闲时高，数据在时钟的上升沿采样）；
• 模式3：CPOL=1, CPHA=1（时钟空闲时高，数据在时钟的下降沿采样）；

选择正确的SPI模式非常重要，它必须与从设备的SPI设置兼容。

3.2. SPI的基本通信过程

sequenceDiagram
    participant 主机
    participant 从机
    主机 ->> 从机: SS 拉低（开始通信）
    主机 ->> 从机: SCK（时钟信号开始）
    主机 ->> 从机: MOSI 发送数据位（如 0xA5）
    从机 ->> 主机: MISO 返回数据位（如 0x3C）
    主机 ->> 从机: MOSI 发送下一个数据位
    从机 ->> 主机: MISO 返回下一个数据位
    主机 ->> 从机: SS 拉高（结束通信）

4. USB

USB（Universal Serial Bus）技术自问世以来，经历了多次重大升级，不断满足日益增长的数据传输和供电需求。从USB2.0、USB3.0和Type-C，带来了显著的性能提升

USB 2.0于2000年发布，最大传输速率480Mbps，是USB 1.1的40倍。它采用半双工通信方式，使用4线制连接（VBUS、D+、D-、GND）。供电能力方面，USB 2.0可提供最大500mA电流。

USB3.0于2008年发布，理论传输速率达到5Gbps。它采用全双工通信，新增了5个触点（2对差分信号线和1根地线）。供电能力提升至900mA，后续的USB 3.1更支持最大3A电流。

USB Type-C于2014年发布，是USB接口的物理形态革新。它采用24针对称设计，支持正反插拔。Type-C接口整合了USB 3.1、DisplayPort、Thunderbolt等多种协议，最大传输速率可达40Gbps（USB4）。

4.1. USB工作原理

USB相较于传统的通信方式要复杂的多，主要基于D+、D-两根差分信号线配合来传输数据，当D+高于D-时，表示逻辑高；当D+低于D-时，表示逻辑低。

协议层机制要复杂的多，目前没有实用场景，所以将来如果用到了再深入学习吧。

5. CAN

CAN（Controller Area Network）总线是一种广泛应用于工业控制和汽车电子领域的现场总线技术。

特点：

• 差分信号传输，最大距离可达1km；
• 支持多主架构，通信速率可配置，最高可达1Mbps；
• 节点可热插拔；
• 异步，半双工通信；
• 可实现广播式、请求式两种通信方式；
• 根据标识符（Identifier 以下称为 ID）决定优先级（ID 并不是表示发送的目的地址，而是表示访问总线的消息的优先级）。
• 同一网络中，所有单元必须设定成统一的通信速度

仅需要两跟信号线（CAN_H、CAN_L），无需共地；

Q: CAN和RS-485有什么区别？
A:

5.1. CAN工作原理

5.1.1. 物理层特性

硬件电路包含CAN总线上的设备，需要包含CAN控制器、CAN收发器。

flowchart LR

    %% 节点1
    subgraph Node1[CAN节点]
        direction TB
        subgraph MCU1[MCU]
            CAN_Controller1[CAN 控制器]
        end
        CAN_Transceiver1@{ shape: hex, label: "CAN 收发器" }
        CAN_Controller1 ---|CAN_TX/CAN_RX| CAN_Transceiver1
    end

    %% CAN总线
    subgraph Node2[CAN BUS]
        CAN_High/CAN_Low
    end

    %% CAN总线连接
    CAN_Transceiver1 --- CAN_High/CAN_Low

CAN总线采用差分信号传输，电平状态由CAN_H和CAN_L的电压差决定。

• 显性电平（Dominant）表示逻辑0，CAN_H约为3.5V，CAN_L约为1.5V，电压差约为2V。
• 隐性电平（Recessive）表示逻辑1，CAN_H和CAN_L均为2.5V，电压差为0V。

这里隐性是指默认状态，两线没有压差；反之亦然。

当多节点冲突时，采用的“线与”逻辑：显性（0）优先于隐性（1）；只有所有节点均发送隐性（1），总线才表现为隐性。

5.1.2. 数据链路层特性

帧化、错误检测、仲裁、应答等，这些都属于数据链路层的范畴。

CAN通信帧格式：有数据帧、遥控帧、错误帧、过载帧、帧间隔5种帧类型。

• 数据帧：用于发送单元向接收单元传送数据的帧；
  • 其中数据帧又分为标准帧和扩展帧，数据帧与扩展帧的核心差异体现在ID的位数和结构上，扩展帧通过更长的ID实现了更大的寻址空间。
• 遥控帧：用于接收单元向具有相同ID的发送单元请求数据的帧；
• 错误帧：用于当检测出错误时，向其他单元通知错误的帧；
• 过载帧：用于接收单元通知其尚未做好接收准备的帧；
• 帧间隔：用于将数据帧及遥控帧与前面的帧分离开来的帧；

这里一帧数据通常分为7个段，帧起始、仲裁段、控制段、数据段、CRC段、ACK段、帧结束

timeline
    title CAN Frame Structure
    section 帧起始
        SOF : 1

    section 仲裁段
        ID : 11

    section 控制段
        RTR : 1
        IDE : 1
        r0 : 1
        DLC : 4

    section 数据段
        Data : 0-64

    section CRC段
        CRC : 15

    section ACK段
        ACK Slot : 1
        ACK Delimiter : 1

    section 帧结束
        EOF : 7

标准数据帧格式：

packet-beta
    0:"SOF"
    1-11:"ID"
    12:"RTR"
    13:"IDE"
    14:"r0"
    15-18:"DLC"
    19-83:"Data[64bit]"
    84-98:"CRC"
    99:"CRC"
    100:"ACK"
    101:"ACK"
    102-109:"EOF"

• 0: SOF（Start of Frame）：第 0 位，1 位显性电平（逻辑 0），标志帧的开始。
• 1-11: 标识符（Identifier）：第 1-11 位，表示消息的优先级和内容。
• 12-15: 控制字段（Control Field）：
• 12: RTR（Remote Transmission Request）：1 位显性电平（逻辑 0），表示数据帧；隐性电平（逻辑 1）表示远程帧。
• 13: IDE（Identifier Extension Bit）：1 位显性电平（逻辑 0），表示标准帧；隐性电平（逻辑 1）表示扩展帧。
• 14: r0（Reserved Bit）：1 位显性电平（逻辑 0），保留位。
• 15-18: DLC（Data Length Code）：4 位，表示数据场的字节数（0-8 字节）。
• 19-XX: 数据帧（Data Field）：从第 19 位开始，长度为 0-8 字节，实际传输的数据。
• XX+1-XX+15: CRC（Cyclic Redundancy Check）：15 位 CRC 校验码，用于错误检测。
• XX+16: CRC界定符（CRC Delimiter）：1 位隐性电平（逻辑 1），标志 CRC 字段结束。
• XX+17: ACK槽（ACK Slot）：1 位隐性电平（逻辑 1），发送节点发送，等待接收节点确认。
• ACK（Acknowledge）：1 位显性电平（逻辑 0），接收节点发送，确认接收成功。
• XX+18: ACK界定符（ACK Delimiter）：1 位隐性电平（逻辑 1），标志 ACK 字段结束。
• XX+19-XX+25: EOF（End of Frame）：7 位隐性电平（逻辑 1），标志帧的结束。

5.2. CAN的波特率计算

这里主要观点参考了【Fitz&】的文章《CAN总线—–位同步、仲裁和错误处理》¹，写的很好理解。

在了解CAN的波特率计算之前，我们需要对CAN的位时序要有一定概念。

由于CAN总线上没有时钟线，总线上的所有设备通过约定波特率的方式确定每一个数据位的时长。因此发送方每个固定时间输出一个位数据，接收方以约定的间隔采集总线电平。一个CAN网络需要规定一个通信的波特率，各节点都以相同的波特率才能进行数据交换。

因此会出现常见问题：

• 接收方采样点没有跟数据中心对齐；
• 产期累基时钟误差，使采样点偏离；

为了调整采样点位置，CAN总线对每个数据位的进行精细划分、分为同步段（SS）、传播时间段（PTS）、相位缓冲段（PBS1）、相位缓冲段（PBS2）、每个段又由若干个最小单位时间（TQ）构成。

timeline
    title CAN 位时间定义图(Nominal Bit Time)
    section 时间段定义
        Synchronization Segment（SS） : 1 TQ (Time Quantum)
        Propagation Time Segment(PTS) : 可变长度
    section 采样点标记
        Phase Buffer Segment 1（PBS1） : 可变长度 : PBS1前端，Sample Point 2
        Phase Buffer Segment 2（PBS2） : 可变长度 : PBS1末端，Sample Point 1

说明

• 同步端（SS）：用于同步总线上的各个节点，边沿跳变预期发生在此段内。
• 传播时间段（PTS）：补偿信号在总线上的物理传播延迟，确保节点能正确读取电平。
• 相位缓冲段（PBS1）：通过重同步机制（延长或缩短此段）补偿时钟偏差。
• 相位缓冲段（PBS2）：与PBS1类似，但主要用于缩短相位误差，确保采样点位置正确。

经过如此划分后，将一位数据分割为若干段，然后再段中找的合适的采集位置。数据的跳变沿是在同步段上执行，然后采样在PBS1和PBS2之间的位置去采样。这样就可以解决采样的问题。

因此波特率的计算就比较简单：

说明

• Prescal，指分频系数
• CANClock，指CAN的时钟周期
• 周期与频率是倒数关系
• 波特率是每比特时间的倒数

同理采样点位置计算如下：

5.3. CAN的同步机制

上一节中提到了位时序，每一位数据都基于TQ分为了四段。在实际收发的过程中具体是如何解决同步问题呢？这里涉及到CAN的同步机制。

简单来说每接收到一个下降沿进行一次同步。发送单元以约定好的位时序进行数据发送，接收单元根据总线上收到的下降沿进行位时序同步。

但是，发送节点和接收节点作为互相独立的硬件个体，时钟频率误差、传输路径上的（电缆、驱动器等）相位延迟等都会引起时序偏差。因此接收单元需通过硬同步或者重同步的方法进行位时序调整。

硬同步：在单元总线空闲的时候，检测到第一个下降沿时（对应报文的SOF下降沿）进行同步调整。这里直接认为下降沿位SS端，强制对齐SS，然后按照位时序对信号进行采集，达到同步效果。

重同步：在单元接收的过程中，检测到下降沿时，根据SJW（重同步补偿宽度，SJW为PBS1增加或PBS2减少的最大TQ数，由CAN控制器硬件自动调整，无需软件干预）调整同步。例如：在同收发过程中本该在SS段收到的下降沿延却延后2个TQ数，这里CAN收发器通过重同步机制自动调整PBS1增加2个TQ，从而调整电平采集点位置。

硬同步与重同步的主要区别：

• 硬同步只在空闲状态检测出第一个下降沿（帧起始下降沿）时进行，而重同步则在其余各段进行。
• 硬同步是“全局复位”，重同步是“局部微调”。

当位时序总Tq数越大，对误差的量化就会越精确，重同步的同步效果就越理想。因此，合理配置位时序的Tq数极为重要。

5.4. CAN的仲裁机制

总线的某一时刻，存在多个节点外发报文的可能，利用总线仲裁规则，可以合理分配各节点对总线的使用权。

CAN的仲裁涉及到CAN ID，ID决定优先级（ID 并不是表示发送的目的地址，而是表示访问总线的消息的优先级），ID值小的优先级更高。当两个以上的单元同时开始发送消息时，对各消息 ID 的每个位进行逐个仲裁比较。仲裁获胜（被判定为优先级最高）的单元可继续发送消息，仲裁失利的单元则立刻停止发送而进行接收工作。

原则很简单，利用“线与”规则进行仲裁。每个CAN节点监听总线是否空闲（规定连续11个位隐性电平即为空闲），空闲了，就可以去尝试发送CAN报文。

怎么“线与”呢？显性（0）优先于隐性（1）；只有所有节点均发送隐性（1），总线才表现为隐性。

举例，假设三个节点同时尝试发送消息：

• 节点 A：ID = 0x0001（二进制 0000 0000 0000 0001）
• 节点 B：ID = 0x0002（二进制 0000 0000 0000 0010）
• 节点 C：ID = 0x0003（二进制 0000 0000 0000 0011）
• ID在总线上时高位在先，左对齐的（MBS）

所以在第15位时节点A为0，节点A获胜。节点B和C检测到总线是0，而自己发送的是1，因此立即退出发送。

5.5. CAN的错误状态

6. MODBUS

MODBUS工业领域常用的通信协议之一，属于应用层协议。是一种串行通信协议，协议规范公开，无需授权费用，支持广泛厂商设备兼容。

特点：

• 帧格式清晰（地址+功能码+数据+校验）；
• 可以基于串口（RS-485/RS-232）进行二进制编码；
• 也可以基于以太网，通过TCP端口502传输

基于串口的标准数据帧格式：

packet-beta
    0-7:"Header"
    8-15:"Function Code"
    16-31:"Start Address"
    32-47:"Register Count"
    48-63:"CRC"

• 0-7:从站地址
• 8-15:功能码
• 16-31:写入寄存器地址
• 32-47:寄存器值
• 48-63:CRC校验

参考资料

Renesas. (2006). CAN入门书. http://wenku.uml.com.cn/document/qrskf/CAN%E5%85%A5%E9%97%A8%E4%B9%A6.pdf