一、異步通信的基本概念

異步通信是一種數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)，通信雙方無(wú)需共享同一時(shí)鐘信號(hào)，而是通過(guò)特定的協(xié)議和機(jī)制實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的可靠傳輸。在異步通信中，發(fā)送方和接收方各自使用獨(dú)立的時(shí)鐘源，通過(guò)預(yù)先約定的格式和時(shí)序規(guī)則來(lái)協(xié)調(diào)數(shù)據(jù)的傳輸與接收。這種通信方式具有靈活性高、成本低等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于計(jì)算機(jī)系統(tǒng)、通信網(wǎng)絡(luò)和嵌入式設(shè)備中。

異步通信的核心特點(diǎn)

無(wú)共享時(shí)鐘：發(fā)送方和接收方使用各自的時(shí)鐘，無(wú)需精確同步

幀結(jié)構(gòu)定義：數(shù)據(jù)以幀為單位傳輸，每幀包含起始位、數(shù)據(jù)位、校驗(yàn)位和停止位

自同步機(jī)制：通過(guò)起始位和停止位標(biāo)識(shí)數(shù)據(jù)幀的開始和結(jié)束

靈活的數(shù)據(jù)速率：雙方可以在一定范圍內(nèi)獨(dú)立調(diào)整時(shí)鐘頻率

二、異步通信的工作原理

幀結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

異步通信的基本單位是數(shù)據(jù)幀，典型的幀結(jié)構(gòu)包括：

起始位 (Start Bit)：通常為 1 位，低電平表示幀開始

數(shù)據(jù)位 (Data Bits)：5-9 位，傳輸實(shí)際數(shù)據(jù)，低位在前

校驗(yàn)位 (Parity Bit)：可選，用于錯(cuò)誤檢測(cè)

停止位 (Stop Bit)：1-2 位，高電平表示幀結(jié)束

傳輸時(shí)序

空閑狀態(tài)：線路保持高電平

起始位：發(fā)送方將線路拉低，表示數(shù)據(jù)幀開始

數(shù)據(jù)傳輸：按低位到高位順序傳輸數(shù)據(jù)位

校驗(yàn)位：可選，用于驗(yàn)證數(shù)據(jù)完整性

停止位：發(fā)送方將線路拉高，保持 1-2 位時(shí)間

恢復(fù)空閑：線路回到高電平，等待下一幀

波特率與比特率

波特率 (Baud Rate)：每秒傳輸?shù)姆?hào)數(shù)，單位為波特 (Baud)

比特率 (Bit Rate)：每秒傳輸?shù)谋忍財(cái)?shù)，單位為 bps

關(guān)系：比特率 = 波特率 × 每符號(hào)比特?cái)?shù)

 

在異步通信中，波特率通常與比特率相等（每符號(hào) 1 比特），但在調(diào)制技術(shù)中可能不同。

三、異步通信的關(guān)鍵技術(shù)

時(shí)鐘恢復(fù)與同步

由于發(fā)送方和接收方使用獨(dú)立時(shí)鐘，接收方需要從數(shù)據(jù)流中恢復(fù)時(shí)鐘信息：

 

過(guò)采樣技術(shù)：接收方使用比發(fā)送波特率更高的時(shí)鐘（通常為 16 倍）采樣數(shù)據(jù)

位中心檢測(cè)：通過(guò)檢測(cè)起始位的下降沿，確定位周期的中心位置

自適應(yīng)時(shí)鐘調(diào)整：根據(jù)連續(xù)采樣結(jié)果微調(diào)接收時(shí)鐘

錯(cuò)誤檢測(cè)與糾正

異步通信常用的錯(cuò)誤檢測(cè)方法：

 

奇偶校驗(yàn) (Parity Check)：在數(shù)據(jù)位后添加一位校驗(yàn)位，使總 1 的個(gè)數(shù)為奇數(shù)（奇校驗(yàn)）或偶數(shù)（偶校驗(yàn)）

循環(huán)冗余校驗(yàn) (CRC)：通過(guò)多項(xiàng)式計(jì)算生成校驗(yàn)值，提供更高的錯(cuò)誤檢測(cè)能力

超時(shí)檢測(cè)：如果在預(yù)期時(shí)間內(nèi)未收到完整幀，判定傳輸錯(cuò)誤

流量控制

為避免接收方緩沖區(qū)溢出，異步通信支持多種流量控制機(jī)制：

 

硬件流控制：使用額外的信號(hào)線（如 RTS/CTS）指示接收方狀態(tài)

軟件流控制：通過(guò)特定字符（如 XON/XOFF）控制數(shù)據(jù)流

自動(dòng)重傳請(qǐng)求 (ARQ)：當(dāng)檢測(cè)到錯(cuò)誤時(shí)，請(qǐng)求發(fā)送方重傳數(shù)據(jù)

四、異步通信協(xié)議

UART（通用異步收發(fā)傳輸器）

UART 是最常見的異步通信協(xié)議，廣泛應(yīng)用于嵌入式系統(tǒng)和計(jì)算機(jī)外設(shè)：

 

特點(diǎn)：全雙工、點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信

典型應(yīng)用：串口調(diào)試、傳感器數(shù)據(jù)傳輸、設(shè)備間通信

數(shù)據(jù)格式：支持 5-8 位數(shù)據(jù)位、1 位奇偶校驗(yàn)位、1-2 位停止位

常見波特率：9600、115200、460800 等

SPI（串行外圍設(shè)備接口）

SPI 雖然通常被認(rèn)為是同步協(xié)議，但也可實(shí)現(xiàn)異步通信：

 

特點(diǎn)：主從結(jié)構(gòu)、高速傳輸

異步實(shí)現(xiàn)：主設(shè)備發(fā)送數(shù)據(jù)后，從設(shè)備在準(zhǔn)備好時(shí)返回響應(yīng)

應(yīng)用場(chǎng)景：與慢速外設(shè)通信、需要雙向傳輸?shù)膱?chǎng)景

I2C（集成電路間總線）

I2C 是一種多主從異步通信協(xié)議：

 

特點(diǎn)：雙向、半雙工、使用兩根信號(hào)線（SDA 和 SCL）

異步機(jī)制：通過(guò)時(shí)鐘拉伸 (Clock Stretching) 實(shí)現(xiàn)主從時(shí)鐘協(xié)調(diào)

應(yīng)用場(chǎng)景：低速率設(shè)備通信、傳感器網(wǎng)絡(luò)

其他協(xié)議

Modbus：工業(yè)控制系統(tǒng)中常用的異步通信協(xié)議

CAN（控制器局域網(wǎng)）：汽車電子和工業(yè)控制領(lǐng)域的異步通信協(xié)議

USB（通用串行總線）：在某些模式下支持異步數(shù)據(jù)傳輸