通信协议是一组允许两个或更多的规则沟通通过任何物理介质进行数据通信的系统。规则、条例、通信系统之间的同步、要遵循的语法和语义都由术语协议定义。协议可以由硬件和软件同时实现，也可以由两者结合实现。模拟和数字通信系统广泛使用各种通信协议。此外，每种协议都有自己的应用领域。
嵌入式系统中的通信协议
嵌入式系统是一种同时使用硬件和软件的电子系统或设备。处理器或控制器从物理世界的外围设备(如传感器、执行器等)获取输入，通过适当的软件进行处理，并提供所需的输出。
在这种情况下，组件必须相互通信以提供预期的输出。每个通信实体应该同意某种协议来交换信息。许多不同的协议可用于嵌入式系统，并根据应用领域进行部署。
图1 -通讯协议简介
通常，通信协议与物理层相关联，物理层描述所包含的信号、信号强度、握手机制、总线仲裁、设备寻址、有线或无线、数据线等。
系统配置、波特率选择、数据收发等过程都与应用层相关。
嵌入式系统中的通信协议类型
通信协议大致分为两类:
- 系统间协议
- 系统内协议
图2 -通信协议的分类
系统间通信协议
系统间协议建立两个通信设备之间的通信，即PC和微处理器套件、开发板等之间的通信。在这种情况下，沟通通过总线间系统实现。
图3 -系统间通讯协议
系统间通信协议的类型
系统间协议可分为:
- USB通信协议
- 通信协议
- USART通信协议
USB通信协议
Universal年代erialBUSB是一种双线串行通信协议。它允许在任何给定时间连接127个设备。USB支持即插即用功能。
USB协议通过数据信号线D+和D-在主机和外部外围设备之间串行发送和接收数据。除了两条数据线，USB还有VCC和地面信号为设备供电。USB引脚输出如下图4所示。
图4 - USB引脚输出
数据以报文的形式在两台设备之间进行通信。数据包由8位(字节)组成，首先传输LSB (Least Significant Bit)。
USB关联NRZI(非归零反转)编码方案传输数据与同步字段同步主机系统和接收机时钟信号。
在USB中，数据以三种不同的速度传输，例如:
图5 - USB速度
USB通信协议的优点
USB通信协议的优点如下:
- 快速简单。
- 它的成本低。
- 即插即用硬件。
USB通信协议的缺点
USB通信协议的缺点如下:
- 需要强大的主设备。
- 需要特定的驱动程序。
UART通信协议
Universal一个同步R接受/T传输器(UART)不是一个通信协议，而只是一个物理硬件，它将并行数据转换为串行数据。它的主要目的是串行传输和接收数据。
UART也是双线的，即串行数据由Tx(发射器)和Rx(接收器)引脚处理。
UART传输数据异步，即在发送和接收数据时没有时钟信号关联。UART用实际的数据位嵌入开始和停止位，而不是时钟信号，它定义了数据包的开始和结束。
当接收端检测到开始位时，它开始以特定的波特率读取数据位，这意味着发射和接收外设都应该在相同的波特率下工作。UART工作在半双工状态下沟通模式意味着它一次要么发送要么接收。
图6 - UART框架
例如:电子邮件，短信
USART通信协议
Universal年代过渡一个同步R接受/Ttransmitter (USART)与UART相同，只是增加了同步功能。也就是说，在不知道前面波特率的情况下，发射机将产生一个时钟信号，该时钟信号将在接收端从传输的数据流中恢复。
UART工作在全双工沟通模式意味着它可以同时发送和接收数据。
USART包含UART的功能，可以根据应用领域实现两者的应用。
图7 - USART框架
例如:电信
UART/ USART通信协议的优点
UART/ USART通信协议的优点如下:
- 不需要时钟信号
- 成本效益
- 使用奇偶校验位进行错误检测
- 只需要2根电线进行数据通信
UART/ USART通信协议的缺点
UART/ USART通信协议的缺点如下:
- 不支持多个主从功能
- 通信UART的波特率应在10%以内
系统内部通信协议
Intra系统协议在电路板内的组件之间建立通信。在嵌入式系统中，系统内协议增加了连接到控制器的组件的数量。
元器件的增加导致电路的复杂性和功耗的增加。系统内部协议保证了外设对数据的安全访问。
系统内部通信协议类型
系统内协议可分为:
- I2C协议
- SPI协议
- 可以协议
I2C通信协议
I2C (Inter Integrated Circuit)是一种集成电路串行通信飞利浦半导体公司开发的协议。该协议的主要目的是为外围芯片与单片机的连接提供方便。在嵌入式系统中，所有外围设备都作为内存映射设备连接到微控制器。
I2C需要两条线SDA(串行数据线)和SCL(串行时钟线)在设备之间传输信息。我们说这两根有源导线是双向的。
I2C协议是一种主从通信协议。每个奴隶都有唯一的地址。为了建立通信，主设备最初将目标从地址与R/W(读/写)标志一起发送。相应的从设备将进入活动模式，而其他设备将处于关闭状态。
一旦从设备准备好，主设备和从设备之间的通信就开始了。如果发送方发送1字节(8位)的数据，则接收方回复1位确认。在设备之间的通信结束时发出停止条件。
图8 - I2C的启停状态通信协议
I2C通信协议的优点
I2C通信协议的优点如下:
- 为不经常访问的板载设备提供良好的通信
- 寻址机制简化了主从通信
- 成本和电路复杂度并不取决于设备的数量
I2C通信协议的缺点
I2C通信协议最大的缺点是速度有限。
串行外设接口(SPI)通信协议
SPI (年代erialPeripheral我接口)是其中之一串行通信摩托罗拉开发的协议。它是一个4线协议，即MOSI (米asterOut年代沐浴我n)， MISO (米aster我n年代沐浴Out, SS (年代沐浴年代选择)和SCLK(串行时钟)。
SPI与I2C协议一样，也是一种主从通信协议。在SPI中，主设备首先在特定的频率上配置时钟。此外，SS线是用来选择适当的从，通过拉低SS线，它通常保持高。
一旦选择了合适的从设备，就会在选定的从设备和主设备之间建立通信。
SPI是一种全双工通信协议。SPI不限制数据传输到8位字。
图9 - SPI通信协议
SPI通信协议的优点
SPI通信协议的优点如下:
- 比异步串行通信协议快。
- 支持多slave连接。
- 协议普遍接受，成本低。
SPI通信协议的缺点
SPI通信协议的缺点如下:
- 需要比其他通信协议更多的电线。
- 主设备应该控制所有的从设备通信(从-从通信是不可能的)。
- 大量的从设备导致了电路的复杂性。
控制器局域网(CAN)通信协议
CAN(控制器局域网)是一种串行通信由罗伯特·博世公司开发的用于车内通信的协议。它需要两根CAN高线(H+)和CAN低线(H-)进行数据传输。
CAN协议是基于面向消息的通信协议。
CAN通信协议的优点
CAN通信协议的优点如下:
- 成本低可靠
- 显示健壮的性能
- 安全快速的协议
CAN通信协议的缺点
CAN通信协议的缺点如下:
- 面向汽车
- 比特复杂协议
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