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单片机小白学步(18) 单片机/计算机系统概述:通信接口与协议

单片机小白学步 583℃ 0 3年前 (2014-11-12)

前面说了信息与数据的概念,这里要说的是与之关系密切的问题——通信。

通信

何为通信?在英文中,通信用Communication表示,这个词也有交流的意思。实际上,通信和交流确实是一样的意思。不过在汉语中,交流常用来表示人与人之间的交流;而通信一般用于比较专业正式的场合,也就是所谓的术语。

人与人之间的交流,是信息交换的过程;微机系统或模块之间的通信,就是数据传输的过程了。

接口

人在用语言交谈时,需要用嘴说话,用耳朵听,通过空气来传播。信息的传递依赖嘴巴和耳朵来进行发送和接收。

微机系统的通信,则利用电、光等媒介。最常用的是电,表现在数字电路中,就是高低电平的变化。单片机的IO口能实现高低电平的收发,认为它是一种通信接口。接口是通信所依赖的实体。

协议

人在说话时,通过声带振动、口型的变化发出不同的声音。这些声音按照一定的规则,承载了我们所要表达的思想和信息,这套规则称为语言。两个人对话,需要使用两个人都能理解的语言进行,一个只懂中文和另一个只懂英文的人,根本没法用语言交流(当然可以用其他方式,比如面部表情、肢体语言等)。

同样,微机系统通信时,也要有这样一套双方都遵从的规定,而这个规定被称为协议。通信协议和接口都可以有多种,并且两者之间存在一定的关联。

接口的种类

在微机系统中,为了更快速、更准确、更方便的传输数据,往往会有各种接口。

数字接口/模拟接口

这里主要讨论电子形式的接口。可分为数字接口和模拟接口,数字接口用二进制高低电平表示数据,模拟接口则可以用电压电流表示信息。模拟形式的接口,最常见的就是音频接口,也就是耳机插座。数字形式的接口,例如我们熟悉的USB接口,前面提到单片机程序烧写所用的串口等都是。数字接口又有很多分类,下面进行介绍。

串行口/并行口

数字接口传输的是二进制数据,通常每8位二进制数字组成一个字节。并行口用八根线同时传输8位数据;而串行口则一位一位的传输。每隔一段时间,接口上的电平按照要传输的下一位数据改变。

同样的电平切换时间间隔下,显然并行口更快。早期技术不够,很多设备使用并行口通信以提高速度,例如并口打印机、并口的IDE硬盘等。后来技术进步了,串行口传输速度提上去了,由于接线少,更加方便可靠,并行口就逐步被淘汰了,USB就是串行口。

备注:此处“行”的发音和“行走”中“行”的发音一致。

同步/异步接口

这个概念留到后面具体讲通信协议的时候再做介绍。

模拟接口/硬件接口

在51单片机中,传输数据主要利用32个IO口管脚。作为数字接口,串口以及后面要介绍的I2C等,本质都是通过IO口的高低电平实现的。如果对串口的协议有了解,可以给单片机写程序,将任意两个IO口做成串口,和电脑进行通信。但是事实上用到串口的时候,很少有人会这么做。

用程序实现串口的方法,一般叫做模拟串口,或者软件串口;而实际上常用到的是硬件串口。串口是一种很基本的接口,单片机一般都有硬件串口。

使用软件模拟串口需要消耗很多CPU资源(也就是说CPU需要花很多时间处理串口相关的数据收发工作)。

而硬件串口根据串口协议设计好并集成在单片机中,也就是一个模块,大大简化了串口通信的软件编程。串口发送数据需要一位一位的进行,有了硬件串口,在软件上只需把要发送的一个字节数据放到硬件串口相关的寄存器中,硬件就会自动一位一位的把数据发送出去。CPU的全部工作就是执行软件程序,这样就大大减轻了CPU的负担。接收数据也是类似的道理。

这里又体现了模块化设计中模块可代换的特点,甚至是软硬件之间也可以互相代换或补偿。读者或许对此感到不可思议,学到原理篇就能慢慢理解这里的原因了。

ADC/DAC 模数/数模转换器

既然接口有数字和模拟形式的,那么他们之间也应该能互相转换。例如电脑听音乐时,CPU、存储器都是数字器件,结果却能输出模拟的声音信号。

能把模拟信号转换成数字信号的器件叫做模数转换器(ADC=Analog To Digital Converter),反过来,数字转模拟就是数模转换器了(DAC=Digital-to-Analog Converter)。

ADC/DAC也是两种常见的微机系统模块。在STC89C52RC单片机中没有内置的ADC/DAC,但是可以使用外置的转换芯片,而在STC的其他一些型号51单片机或430等单片机中往往会有内置的转换模块。

接口是单片机学习很重要的知识。本篇关于通信接口和协议的介绍就结束了,其中的很多细节会在后面的具体学习中涉及到。

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《单片机小白学步》系列教程(原名《单片机入门指南》)介绍

本系列教程从最基本的入门知识开始,逐步深入介绍单片机系统设计,内容包括:
1、入门篇:单片机等基本概念、各种电子设计基本知识
2、思想篇:单片机/计算机系统设计的工程思想
3、学习篇:单片机学习过程、方法和技巧,以51单片机为例介绍,并推广到其他单片机
4、应用篇:遵循规范的工程方法,设计单片机系统实例(计划设计的系统有:计算器、电子表、密码锁、简易手机,具体看有没有时间再确定)
5、原理篇:从模拟电路、数字电路开始,逐步深入介绍单片机/计算机系统原理,并自行设计简易的CPU(由于个人水平有限,这部分没有把握写好,具体内容视情况而定)

教程特点

1、技术知识点全面,从入门到精通

包含了各种基本知识,尤其是对单片机基本概念的介绍、为什么要用单片机等,在很多同类书籍教程中都被忽略了。同时也包含了一些深入的知识,包括原理篇考虑对单片机的基本原理进行介绍,有助于深入理解单片机。

本系列教程以51单片机为例进行介绍。通过51介绍完单片机的基本知识,我会再把430进行简要介绍,尤其是对比两者之间的优缺点,让大家很快感受到430的巨大优势,而学习51正好为快速了解430打下了坚实的基础。

2、除了单片机知识,还有思想、方法、技巧的介绍

本系列教程中,介绍单片机各种模块编程知识的主要是学习篇,而学习篇只是整个教程的一部分。在学习篇中我会贯穿各种方法技巧,如何理解一些模块功能,怎么看时序图,严格遵守工程思想进行编程,程序发生了错误怎么调试等等。而在思想篇中会总体介绍很多重要的思想,为后面的学习做好准备工作。

3、知识先后顺序的设计

单片机学习过程中,涉及大量的知识,而且很多知识之间相互依赖,关联很强。

本系列教程对知识的先后顺序进行比较明确的规划,尽最大可能符合人的认知过程。但是实际规划时发现,无论怎么调整知识的顺序,总有一些知识之间相互依赖,关系复杂。例如开始讲IO口的时候肯定会提到寄存器,而寄存器这个词的理解,需要深厚的背景知识。但是这些背景知识在没有进行实践的时候也很难理解。

初学者常常就会在这样的地方感觉疑惑不解,不知所措。而每次遇到类似这样的知识,我会向初学者指出,应该如何对待。这个知识是应该自己去学习补充,还是等到学完原理篇再做理解,而现在又应该怎么去看待这个名词。

另外,在整个教程的学习前,需要掌握一定的C语言等基础知识,具体可参考教程第〇篇《序》中的相关说明
http://www.paincker.com/mcu-primer-0

4、语言通俗易懂

本系列教程力求语言通俗易懂,而不会用一堆新手不懂的词语去解释另一个不懂的词语。但是受限于个人语言表达能力,可能有些地方表述的比较繁琐,或者不清楚,希望大家能够帮忙指出。

其他问题

如果觉得我写的对你有帮助,欢迎多多反馈,包括写的不正确、不合理、不太明白都可以指出来,这样方便我对其进行完善。

更多可参见:《如何以学习单片机为契机,逐步成为优秀的工程师》
http://www.paincker.com/mcu-engineer

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