硬件面试常见问题-硬件通信协议（UART，SPI，IIC，RS232，RS485）、同步和异步通信

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动图来源：www.parlezvoustech.com
1、常见的硬件通信协议？
串行通信协议UART (Universal Asynchronous Receiver Transmitter)：
一种异步串行通信协议，不需要时钟信号，常用于简单的点对点通信。
SPI (Serial Peripheral Interface)：
一种同步串行通信协议，通常用于微控制器与传感器、存储设备等外部设备之间的高速通信。
包含一个主设备和一个或多个从设备，通过时钟信号同步数据传输。
I2C (Inter-Integrated Circuit)：
一种同步多主多从串行通信协议，常用于低速设备间的短距离通信。
使用两根信号线（SDA和SCL）进行数据传输和时钟同步。
RS-232：
一种早期的串行通信标准，通常用于计算机与外部设备（如调制解调器和打印机）之间的连接。
使用单端信号传输，支持较长的传输距离。
RS-485：
一种改进的串行通信标准，适用于多点通信系统，支持更长的传输距离和更高的数据速率。
使用差分信号传输，提高抗干扰能力。
[/ol]并行通信协议PCI (Peripheral Component Interconnect )：
一种高速串行计算机扩展总线标准，广泛用于计算机内部的各种组件之间（如显卡、存储设备）的连接。
提供较高的数据传输速率和低延迟。
ATA/IDE (Advanced Technology Attachment/Integrated Drive Electronics)：
一种早期的硬盘驱动器接口标准，使用并行数据传输方式。
SATA (Serial ATA)：
ATA接口的串行版本，广泛用于连接硬盘驱动器和SSD，具有更高的数据传输速率。
[/ol]无线通信协议Bluetooth：
一种短距离无线通信协议，常用于移动设备、计算机和外围设备之间的数据传输。
Wi-Fi (Wireless Fidelity)：
一种常用的无线局域网（WLAN）技术，支持设备之间的无线数据传输。
Zigbee：
一种低功耗、低数据速率的无线通信协议，常用于物联网（IoT）设备之间的通信。
NFC (Near Field Communication)：
一种短距离无线通信技术，常用于移动支付、访问控制等应用。
[/ol]工业通信协议Modbus：
一种广泛应用于工业自动化系统的串行通信协议，支持主从通信模式。
CAN (Controller Area Network)：
一种用于汽车和工业自动化中的串行通信协议，支持多主模式和高可靠性数据传输。
PROFINET：
一种基于以太网的工业通信协议，广泛应用于工业自动化和控制系统。
[/ol]其他常见协议USB (Universal Serial Bus)：
一种广泛应用于计算机和外部设备之间的通用串行通信协议，支持热插拔和即插即用。
HDMI (High-Definition Multimedia Interface)：
一种数字视频和音频传输标准，广泛用于高清电视、显示器和其他多媒体设备。
Ethernet：
一种用于局域网（LAN）的有线通信标准，支持高速数据传输和多点通信。
[/ol]2、同步通信和异步通信？

同步和异步通信是两种不同的数据传输方式，主要区别在于对时钟信号的使用。
同步通信特点：
共享时钟信号：发送端和接收端共享一个时钟信号，用于同步数据传输。
数据同步：每个数据位的传输都由时钟信号引导，接收端根据时钟信号确定数据读取时刻。
优点：
高效传输：由于时钟同步，数据传输速率较高。
可靠性强：时钟信号使数据的接收和发送更加精确。
缺点：
复杂性：需要额外的时钟线，电路设计复杂。
距离限制：时钟信号的准确性可能会随着距离增加而降低。
应用场景：
SPI、I2C（虽然I2C也支持异步特性，但其时钟线用于同步）。
异步通信特点：
无共享时钟：发送端和接收端不共享时钟信号，而是使用起始位和停止位来标识数据帧。
自包含时序：每个数据帧通过自身的起始和停止信号进行同步。
优点：
简单性：无需时钟线，减小了硬件复杂度。
灵活性：适合低速、长距离通信。
缺点：
效率稍低：由于需要添加起始和停止位，实际数据传输速率可能降低。
误差累积：长时间传输可能出现同步误差。
应用场景：
UART、RS-232。

同步通信适用于需要高效、高速数据传输的场景，但通常需要额外的硬件支持。
异步通信适合简单低速应用，易于实现和调试。
3、UART串口通信？
UART（Universal Asynchronous Receiver/Transmitter，通用异步收发传输器）是一种用于串行通信的硬件设备。UART用于将数据串行地传输和接收，广泛应用于计算机与外围设备之间的数据通信。
1. 基础概念：异步通信: 没有时钟信号，发送方和接收方必须约定好波特率（传输速率）。
波特率: 每秒传输的位数，一般有9600、115200等常见波特率。
数据帧结构: 包括开始位、数据位、奇偶校验位（可选）和停止位。
2. 数据帧结构：协议：数据包由起始位、数据帧、奇偶校验位和停止位组成。

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A. 起始位：先发出一个逻辑"0"的信号，表示传输字符的开始B. 数据位：紧接着起始位之后。数据位的个数可以是4、5、6、7、8等，构成一个字符，从最低位开始传送。C. 奇偶校验位：数据位加上这一位后，使得"1"的位数应为偶数（偶校验）或奇数（奇校验），以此来校验资料传送的正确性。D. 停止位：它是一个字符数据的结束标志。可以是1位、1.5位、2位的高电平。由于数据是在传输线上定时的，并且每一个设备有其自己的时钟，很可能在通信中两台设备间出现了不同步。因此停止位不仅仅是表示传输的结束，并且提供计算机校正时钟同步的机会。适用于停止位的位数越多，不同时钟同步的容忍程度越大，但是数据传输率同时也越慢。E. 空闲位：处于逻辑"1"状态，表示当前线路上没有资料传送。F. 波特率：衡量数据传送速率的指标。表示每秒钟传送的比特位。3. 通信方式：全双工: 可以同时进行发送和接收（两个独立的通道）。
半双工: 发送和接收不能同时进行。
单工: 只能单方向传输数据。
4. 实现方式：硬件实现: 通过MCU或专用的UART芯片（如MAX232）实现。
软件实现: 通过软件模拟UART通信，适用于不具备硬件UART模块的系统。
5. 应用：嵌入式系统: 如单片机与传感器、模块之间的通信。
计算机外设: 如与鼠标、键盘、调制解调器等的连接。
调试和编程: 通过串口调试嵌入式设备或下载程序。

4、IIC通信？
I2C（Inter-Integrated Circuit）是一种常用的串行通信协议，设计用于短距离互连低速设备。由飞利浦公司（现NXP）在20世纪80年代开发，I2C现在广泛应用于嵌入式系统中，用于连接微控制器、传感器、显示器和其他外围设备。

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I2C 基本概念I2C是一种多主从架构的双线串行总线系统，由主设备和从设备组成。通信通过两条线进行：
SCL（Serial Clock Line）: 时钟线，由主设备生成时钟信号。
SDA（Serial Data Line）: 数据线，用于传输数据。
数据传输I2C使用7位或10位地址进行设备寻址，传输数据以字节为单位，具体传输步骤如下：
起始条件（Start condition）：主设备拉低SDA线，然后拉低SCL线，表示通信的开始。
地址传输：主设备发送从设备的地址，并指示读/写操作。
数据传输：主从设备之间的数据传输。每个字节后面都有一个确认位（ACK/NACK）。
停止条件（Stop condition）：主设备拉高SCL线，然后拉高SDA线，表示通信的结束。
[/ol]I2C设备地址每个I2C从设备都有唯一的7位或10位地址。7位地址通常使用更广泛，实际传输时，地址会左移一位，最右边一位表示读/写操作（0表示写，1表示读）。
I2C通信协议开始条件（Start Condition）: 主设备将SDA从高电平拉到低电平，同时SCL保持高电平。
停止条件（Stop Condition）: SCL为高电平时，SDA从低电平拉到高电平。
字节数据传输: 每传输一个字节数据后，接收方需发送一个确认位（ACK）。
读/写操作: 主设备发送设备地址的同时紧接着一个读/写位，0表示写，1表示读。
I2C优点简单的硬件接口：只需两根线即可实现通信。
多主从架构：允许多个主设备和从设备共用一条总线。
灵活性：支持多种设备共同使用，且设备可以热插拔。
I2C缺点速率较低：标准模式下最大速率为100kHz，快速模式为400kHz，更高的速率（高达5MHz）需要特殊的高速度模式。
距离受限：通常适用于PCB内部或短距离通信。
总线竞争：总线空闲时，多个主设备可能会尝试同时启动通信。
5、SPI通信？

SPI（Serial Peripheral Interface，串行外围设备接口）是一种用于短距离通信的同步串行通信协议。它由Motorola公司在20世纪80年代开发，广泛应用于嵌入式系统中，用于微控制器与传感器、存储设备、显示器以及其他外设的通信。
SPI 基本概念
SPI使用主从架构，其通信通过至少四条线进行：
MOSI（Master Out Slave In）: 主设备输出，从设备输入。MISO（Master In Slave Out）: 主设备输入，从设备输出。SCLK（Serial Clock）: 时钟线，由主设备生成时钟信号。SS/CS（Slave Select/Chip Select）: 从设备选择线，由主设备控制，以选择具体的从设备。数据传输
SPI是一种全双工通信协议，数据在时钟的控制下从主设备到从设备（通过MOSI），同时从从设备到主设备（通过MISO）。具体传输步骤如下：
主设备驱动CS线低电平，选择从设备。主设备生成SCLK时钟信号。数据通过MOSI和MISO线同步传输。根据时钟的上升沿或下降沿采样数据。传输完成后，主设备驱动CS线高电平，结束通信。[/ol]
SPI时钟相位和极性
SPI的时钟相位（CPHA）和时钟极性（CPOL）定义了数据采样的时机和时钟信号的初始状态。根据这两个参数，可以有四种模式：

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CPOL—— 0 :  SCLK空闲时低电平；1 : SCLK空闲时高电平CPHA—— 0 : 奇数边沿采集数据；  1: 偶数边沿采集数据

CPOL = 0, CPHA = 0: 时钟信号空闲时为低电平，在第一个上升沿采样数据。CPOL = 0, CPHA = 1: 时钟信号空闲时为低电平，在第一个下降沿采样数据。CPOL = 1, CPHA = 0: 时钟信号空闲时为高电平，在第一个下降沿采样数据。CPOL = 1, CPHA = 1: 时钟信号空闲时为高电平，在第一个上升沿采样数据。SPI 优点高速传输：比I2C通信速率更高，适用于高数据速率的传输。全双工通信：可以同时发送和接收数据。简单的硬件实现：不需要复杂的仲裁机制。SPI 缺点线数较多：需要至少四条线，增加了布线复杂度。缺乏标准化：不同设备的SPI实现可能有所差异，需要仔细阅读设备手册。6、RS-232外部通信？
RS-232（Recommended Standard 232）是一种串行通信标准，最初由EIA（Electronic Industries Association）在20世纪60年代制定。它广泛用于计算机与外围设备（如调制解调器、打印机和工业设备）之间的通信。尽管RS-232在现代消费电子产品中使用较少，但在工业自动化和某些专业设备中仍然非常重要。
RS-232 基本概念RS-232为异步串行、全双工通信，由电子工业协会(EIA)制定，是个人计算机上的通讯接口之一，通常以9个引脚(DB-9)出现，传输距离通常十几米。
RS-232 信号RS-232接口定义了多种信号线，其中最常用的是：
TXD（Transmit Data）: 发送数据线。
RXD（Receive Data）: 接收数据线。
GND（Ground）: 地线。
RTS（Request to Send）: 请求发送。
CTS（Clear to Send）: 清除发送。
DTR（Data Terminal Ready）: 数据终端准备好。
DSR（Data Set Ready）: 数据集准备好。
DCD（Data Carrier Detect）: 数据载波检测。
RI（Ring Indicator）: 振铃指示。
RS-232 电气特性RS-232定义的信号电压如下（负逻辑）：
逻辑1（标志位）: -3V到-15V。
逻辑0（空闲位）: +3V到+15V。
任何在-3V到+3V之间的电平都被视为不确定状态。
数据传输RS-232使用异步通信，没有时钟信号。数据传输通过开始位、数据位、可选的校验位和停止位构成的数据帧进行：
起始位: 通常为1位，表示数据传输的开始，逻辑低电平。
数据位: 通常为5到8位，是实际传输的数据。
校验位: 可选，用于错误检测，一般有奇校验和偶校验。
停止位: 通常为1或2位，表示一帧数据的结束，逻辑高电平。
[/ol]RS-232 传输速度RS-232的波特率（传输速率）可以从300bps到115200bps不等，典型值有9600、19200、38400、57600和115200bps。
RS-232 应用RS-232广泛应用于：
计算机与调制解调器: 老式拨号上网。
工业自动化设备: PLC、传感器和控制器之间的通信。
嵌入式系统: 用于调试和通信。
医疗设备: 如数据采集和监控设备。

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7、RS485通信

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RS-485是一种用于多点、差分信号传输的串行通信标准，广泛应用于工业自动化、楼宇自动化和其他需要可靠长距离数据传输的应用中。与RS-232相比，RS-485具有更强的抗干扰能力和更长的传输距离。
RS-485 基本概念差分信号RS-485使用差分信号传输，它通过两根线（A和B）来传输数据。差分信号的优势在于：
抗干扰能力强：由于接收端检测的是两根线之间的电压差，而不是单端电压，所以对噪声有更好的抵抗力。
传输距离长：典型的传输距离可以超过1200米。
多点通信RS-485支持多点通信，即多个设备可以连接在同一总线上，常见的配置是主从模式。一个RS-485总线上可以连接多达32个设备，使用扩展器可以连接更多设备。
RS-485 电气特性逻辑1：A线电压低于B线电压，通常两线间的电压差为+(2~6)V。
逻辑0：A线电压高于B线电压，通常两线间的电压差为-(2~6)V。
对于驱动器（发送器），逻辑1（正）是A>B, AB之间电压为+2~+6V，而逻辑0（负）是A[B]
而对于接收器，则逻辑1（正）则是B>A，BA之间的电压不小于200mV，逻辑0则是A>B，BA之间的电压小于-200mv，即正负逻辑，电压绝对值都大于200mv。
RS-485 通信模式半双工数据只能在一个方向传输，必须通过协议或硬件控制来实现发送和接收的切换。
常见连接：两根差分线（A和B），一根地线（GND）。
全双工数据可以同时在两个方向传输，需要四根线（两对差分线）。
常见连接：四根差分线（A、B、Y、Z），一根地线（GND）。
RS-485 典型应用RS-485广泛应用于需要长距离、可靠传输的场景，如：
工业自动化：PLC、传感器、执行器之间的通信。
楼宇自动化：HVAC系统、门禁控制、照明控制。
串行设备互连：例如Modbus协议下的设备通信。
远程数据采集：如SCADA系统中的数据采集。
8、Modbus协议
Modbus是一种开源的串行通信协议，最初由Modicon（现为施耐德电气的一部分）在1979年开发。它广泛应用于工业自动化系统中，用于连接电子设备和传感器，实现数据交换和设备控制。Modbus协议简单、可靠且易于实现，是工业环境中最常用的通信协议之一。Modbus 基本概念Modbus协议主要有两种传输模式：Modbus RTU（Remote Terminal Unit）：基于二进制传输，通常用于RS-232、RS-485等串行通信。Modbus ASCII：基于ASCII字符传输，也用于串行通信，但相对较少使用。Modbus TCP/IP：基于以太网的通信，适用于局域网和互联网环境。[/ol]Modbus 数据模型Modbus设备数据组织为各种表，主要包括：离散输入（Discrete Inputs）：只读的单位输入（位）。线圈（Coils）：可读写的单位输出（位）。输入寄存器（Input Registers）：只读的16位输入。保持寄存器（Holding Registers）：可读写的16位寄存器。每种数据类型有不同的地址范围。例如，标志位（线圈和离散输入）的地址范围为1到9999，寄存器的地址范围为40001到49999。Modbus 功能码Modbus协议使用功能码来定义具体操作，例如读写线圈和寄存器。以下是一些常见的功能码：读线圈（0x01）：读取一组线圈的状态。读离散输入（0x02）：读取一组离散输入的状态。读保持寄存器（0x03）：读取一组保持寄存器的内容。读输入寄存器（0x04）：读取一组输入寄存器的内容。写单线圈（0x05）：写入一个单线圈状态。写单寄存器（0x06）：写入一个保持寄存器的内容。写多线圈（0x0F）：写入多个线圈状态。写多寄存器（0x10）：写入多个保持寄存器的内容。Modbus 数据帧Modbus RTU数据帧结构如下：地址域（1字节）：指定从机地址。功能码（1字节）：指定操作类型。数据域（N字节）：包含具体操作的数据，如寄存器地址、值等。错误校验码（2字节）：CRC校验码，用于错误检测。Modbus ASCII数据帧结构类似，但采用ASCII字符表示，每个字节以两个ASCII字符传输，并有LRC（纵向冗余校验）校验。9、CAN总线
CAN（Controller Area Network，控制器局域网络）是一种多主总线型串行通信协议，最初由德国的Bosch公司在1980年代开发，主要用于汽车电子系统，但其应用已扩展到工业自动化、医疗设备、航空电子和其他领域。CAN 基本概念帧类型CAN总线通信使用数据帧来传输信息，常见的帧类型包括：数据帧（Data Frame）：用于传输实际数据。远程帧（Remote Frame）：请求发送数据帧。错误帧（Error Frame）：报告检测到的错误。过载帧（Overload Frame）：指示总线过载。[/ol]数据帧结构CAN数据帧由以下主要字段组成：起始位（Start of Frame, SOF）：表示帧的开始。标识符（Identifier）：表示消息的优先级和内容。标准帧（11位标识符）扩展帧（29位标识符）控制字段（Control Field）：指示数据长度和其他控制信息。数据字段（Data Field）：实际传输的数据，长度为0到8字节。CRC字段（CRC Field）：循环冗余校验，用于错误检测。应答字段（ACK Field）：接收方确认发送方是否正确接收。结束位（End of Frame, EOF）：表示帧的结束。位仲裁CAN总线采用非破坏性仲裁机制，通过标识符的优先级来决定哪个节点可以发送数据。标识符值越小，优先级越高。错误检测CAN具有多层次的错误检测机制，包括位级、帧级、消息级的错误检测和错误处理。CAN 应用场景汽车电子：车身控制、动力系统、信息娱乐系统。工业自动化：机器人控制、传感器数据采集。

医疗设备：实时监控、诊断设备。航空电子：飞行控制系统。end

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