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，通信雙方無需共享同一時鐘信號，而是通過特定的協(xié)議和機制實現(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立的時鐘源，通過預先約定的格式和時序規(guī)則來協(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，廣泛應用于計算機系統(tǒng)、通信網(wǎng)絡和嵌入式設備中。

異步通信的核心特點

無共享時鐘：發(fā)送方和接收方使用各自的時鐘，無需精確同步

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

自同步機制：通過起始位和停止位標識數(shù)據(jù)幀的開始和結束

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

二、異步通信的工作原理

幀結構設計

異步通信的基本單位是數(shù)據(jù)幀，典型的幀結構包括：

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，傳輸實際數(shù)據(jù)，低位在前

校驗位 (Parity Bit)：可選，用于錯誤檢測

停止位 (Stop Bit)：1-2 位，高電平表示幀結束

傳輸時序

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

校驗位：可選，用于驗證數(shù)據(jù)完整性

停止位：發(fā)送方將線路拉高，保持 1-2 位時間

恢復空閑：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枖?shù)，單位為波特 (Baud)

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

關系：比特率 = 波特率 × 每符號比特數(shù)

 

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

三、異步通信的關鍵技術

時鐘恢復與同步

由于發(fā)送方和接收方使用獨立時鐘，接收方需要從數(shù)據(jù)流中恢復時鐘信息：

 

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

位中心檢測：通過檢測起始位的下降沿，確定位周期的中心位置

自適應時鐘調(diào)整：根據(jù)連續(xù)采樣結果微調(diào)接收時鐘

錯誤檢測與糾正

異步通信常用的錯誤檢測方法：

 

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

循環(huán)冗余校驗 (CRC)：通過多項式計算生成校驗值，提供更高的錯誤檢測能力

超時檢測：如果在預期時間內(nèi)未收到完整幀，判定傳輸錯誤

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制：

 

硬件流控制：使用額外的信號線（如 RTS/CTS）指示接收方狀態(tài)

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

自動重傳請求 (ARQ)：當檢測到錯誤時，請求發(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，廣泛應用于嵌入式系統(tǒng)和計算機外設：

 

特點：全雙工、點對點通信

典型應用：串口調(diào)試、傳感器數(shù)據(jù)傳輸、設備間通信

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

常見波特率：9600、115200、460800 等

SPI（串行外圍設備接口）

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

 

特點：主從結構、高速傳輸

異步實現(xiàn)：主設備發(fā)送數(shù)據(jù)后，從設備在準備好時返回響應

應用場景：與慢速外設通信、需要雙向傳輸?shù)膱鼍?span>

I2C（集成電路間總線）

I2C 是一種多主從異步通信協(xié)議：

 

特點：雙向、半雙工、使用兩根信號線（SDA 和 SCL）

異步機制：通過時鐘拉伸 (Clock Stretching) 實現(xiàn)主從時鐘協(xié)調(diào)

應用場景：低速率設備通信、傳感器網(wǎng)絡

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