计算机体系结构之通信部分
信息<------>数据(介质) <------>信号(电信号,光信号,电磁波信号,磁信号)
1.电子设备通信模型:
2.基带信号与载波信号:
基带信号: 承载有信息的信号.
载波信号: 用于承载基带信号的信号.
3.调制发送/接收解调的具体过程:
调制发送: 1.调制: 将基带电信号装入载波电信号.
2.发送: 将载波电信号转换为电波信号(无线),通过信道发送出去.
接收解调: 1.接收: 接收并将电波信号(无线)转换为载波信号.
2.解调: 从载波信号中提取出基带信号.
4.无线通信中为什么需要载波信号:
便于制作小尺寸天线: 基带的频率很低,如果直接将基带信号转为电磁波信号,电磁波的波长会很长.而电磁波的波长与天线的长度成正比,就可能需要很长的天线.
便于对信道进行频分复用.
能够提高信号的抗噪能力.
5.并行通信和串行通信:
并行通信: 数据以成组的方式,在多个并行通道上同时进行传输.
并行通信只存在于有线通信.芯片内部通信,时并行通信的主要应用场合.
串行通信: 数据以串行方式在单条信道上传输.
有线串行通信: usb,以太网,I2C,SPI,串口.
无线串行通信: wifi,Zigbee,蓝牙.
7.串行通信中的同步通信和异步通信:
同步通信: 通信双方事先约定好通信时间, 并且为通信做好准备. I2C,SPI.
应答机制: 阻塞等待,非阻塞等待.
异步通信: 通信双方并未就通信时间进行约定, 通信时机是随机的. UART.
应答机制: 阻塞等待,非阻塞等待.
8.单工,半双工,全双工通信:
单工通信: 单向通信.固定一端进行发送,一端进行接收.
半双工通信: 不能同时进行的双向通信.两端都能发送和接收,同一时刻任意一端只能进行发送或者进行接收.
全双工通信: 能同时进行的双向通信.两端能够同时进行发送或者接收.
现在基本都是全双工通信.
9.差分信号传输:
1.电平传输: 以电平方式传输数据,直接传输高低电平表示二级制的1/0.
普通TTL电平: TTL电路时有三极管等晶体管组成的数字电路,TTL电平是指数字电路中使用的电平.不适合远距离信息传输.
TTL电平的笼统电压范围: 高电平: 2v~5v, 用于表示二级制数1.
低电平: 0v~2v, 用于表示二级制数0.
I2C,SPI,普通串口通信都是使用的TTL电平进行通信.
RS232电平: RS232串口通信使用的电平.串口通信分为三种: 普通串口通信, RS232串口通信, RS485串口通信.
RS232电平采用负逻辑,高电平表示0,低电平表示1.
RS232电平电压范围: 高电平: 3v~15v,用于表示二进制数0.
低电平: -15v~-3v,用于表示二进制数1.
电平转换:
2.差分信号传输:
差分信号进行传输时,原本一根信号线,需要变成两根信号线,使用两根线上的电压差值来表示1/0.
差分信号传输不会直接使用高低电平信号来表示二进制数1/0,而是使用信号的电压差值表示二进制的1/0.
因为噪音如果影响到传输线路上的电压,那么在同一位置两根传输线的电压变化是几乎一样的.这样的话,差分信号传输可以减小噪音对信号的影响.
USB,RS485,网络网线一般都是差分信号传输.
3.电平信号与差分信号的转换:
10.信道:
无线信道: 非导向传输媒体.通过天线实现发送和接收.
有线信道: 导向传输媒体.
1.远距离通信电缆:
屏蔽双绞线(STP): 有四根线,两根用于差分信号发送,另外两根用于差分信号接收.
抗噪性能好,可用于任何场合,但造价贵,一般用于远距离传输(工厂内部).
无屏蔽双绞线(UTP): 与屏蔽双绞线区别在于没有屏蔽层,抗噪能力弱.一般用于干扰较少的情景.
家用网线一般会多出4根备用线出来.
同轴电缆: 有屏蔽层,抗噪性能好.因为只有一根通信线,如果要双向通信的话,要进行信道的复用.
无法进行差分信号传输.
光缆: 光纤数据吞吐量非常大.信号衰减低,抗噪能力强.
任何通信都可以使用光纤,但只有远距离,通信数据量很大时才会使用光纤.
2.短距离通信导线: 使用普通导线.
11.信道复用: 各种信号共享同一条信道进行传输.只有远距离的通信才会用到信道复用.
1.频分复用: 按照频率的不同,将整个信道分为若干个频率不同的子信道,每个子信道只传输自己要求的信号.
2.时分复用: 将时间分成不同的时间段,在不同的时间段,信道传输不同的信号.
在每一个时间片内,当前信号独占整个信道,在每个TDM帧内,信号传输的顺序不变.
12.常见的串行通信(有线):
I2C : 通信协议 : I2C协议.
传输距离 : 短距离传输.
同步/异步 : 同步通信.
传输信号 : TTL电平信号.
单工/半双工/全双工 : 半双工通信.
通信线 : 两根通信线 : SDA,SCL.
SDA用于半双工传输信号,数据/地址/控制信号会复用SDA线.
SCL用于传输同步脉冲信号.
I2C通信作用:
用于连接各种使用I2C通信的设备,这些设备有EEPROM,LCD,AD,RTC(时钟),蓝牙,ZigBee,wifi等无线通信模块.
I2C属于简单通信,使用I2C通信的设备也都比较简单.
使用I2C通信的设备,一般都是直接做在电路板上.
SPI : 通信协议 : SPI协议.
传输距离 : 短距离传输.
同步/异步 : 同步通信.
传输信号 : TTL电平信号.
单工/半双工/全双工 : 全双工通信.
通信线 : 四根通信线 : SDI,SDO,SCLK,CS .有时三根也可以.
SDI : 输入线,从外部设备读数据.
SDO : 输出线,把数据写到外部设备中.
SCLK: 用于传输同步脉冲信号.
CS : 片选线,通过片选线选择哪一个外部设备进行通信.I2C则是通过地址线进行选择的.
注 : 对于SPI通信,SDI/SDO/SCLK三根线是公用线,但CS线不是公用的.每一个使用SPI通信的外部设备,都有自己独立CS线.
每多挂接一个SPI设备,就多一根CS线.
SPI通信的作用: 用于连接各种SPI通信的设备, I2C与SPI是同等级的通信.I2C通信设备都可以使用SPI通信实现.
使用SPI通信的设备,一般也都直接做在电路板上.
UART : 串口通信.
1. 串口通信分为三种,普通串口通信,TS232串口通信,RE485串口通信.
2. 通信协议: 串口通信协议.
3. 传输距离: 普通串口: 短距离通信,无中继器的话,最长10m.
RS232 : 中等距离通信,无中继器的话,最长25m.
RS485 : 长距离通信,无中继器的话,最长约1200m.
4. 同步/异步 : 异步通信.
5. 传输信号 : 普通串口通信 : TTL
RS232串口通信 : RS232电平信号
TS485串口通信 : 差分信号.
6. 单/半/全双工 : 全双工, 有两根数据线,一根用于发,一根用于收.
7. 串口通信的作用 :
常用于连接各种"使用串口通信的设备",LCD,蓝牙,ZigBee,wifi等无线通信模块.
使用串口通信的设备,有些被设计在了电路板上,有些事在计算机外部.如果是计算机外部的话,需要提供相应的物理接口进行连接.
USB : USB通信.
1. 通信协议 : USB协议.
2. 传输距离 : 短距离传输.
3. 同步/异步 : 同步通信,异步通信都涉及.
4. 传输信号 : 差分信号.
5. 单/双工 : USB2.0是半双工,USB3.0是全双工.
6. 通信线 : USB2.0 : 4跟线, 一根地线,一根电源线,两根差分传输线,为半双工通信.
USB3.0 : 9根线, 为全双工通信.
