如何快速理解通信的硬件层协议与软件层协议？

通信协议介绍

众所周知通信协议就是一种数据传输的协议规范，从软硬件层面可以分为硬件层通信协议和软件层通信协议 。

为了更加形象的理解软硬件层面的通信协议，我们将通信比作交通 ，通信的硬件层协议比作各国的公路标准，各国的公路标准类似于不同的硬件层协议标准；通信的软件层协议比作各国的交通规则，各国的交通规则类似于不同的软件层协议标准。

图1生动的对上述描述进行了解释。

1.解决逻辑传输的方式

利用设备1向设备2传输0xA3(1010 0011)这样一组数据，从硬件层面将1010 0011这组数据定义为1为高电平，0为低电平，我们就可以通过改变传输线电平的高低实现这组数据的顺利传输。

为了对这种硬件层面的数据传输形式进行规范定义便有了硬件通信接口协议 ，入RS-232、RS-485、CAN总线等。

下节讲解的MODBUS通信协议是基于RS-485信号传输方式，以MCU作为信号发送设备，MCU的GPIO引脚输出的是TTL电平（设逻辑0：0V；逻辑1：5V），RS-485硬件协议则是将其TTL电平转换成差分信号，通过通讯转换器将一个GPIO引脚的TTL电平转变成两根根线上的信号A/B，也称之为差分信号 。

当TTL电平为0时，使得VB>VA，当TTL电平为1时，使得VB<VA。

RS-485通信为半双工通信，意思是MCU1和MCU2可以互相发送和接受数据 ，但有一点应注意，由于RS-485只有一对差分信号线A/B故对于MCU1来说发送和接受数据不能同时进行。故在MCU1要顺利实现发送和接受数据则需要在软件层面上指定通信协议。

2.解决逻辑传输目的

2.1主从通信模式

(1) 为实现半双工通信需要引入主从通信模式这个概念，即指定通信双方一方为主机，其余为从机；

(2) 规定系统中所有从机不可主动把数据发送到主机；

(3) 系统中主机和所有从机上电后都处于接收状态；

(4) 任何一次的数据交换都由主机发起。

2.2主机查询从机

对于主机向从机发送数据控制从机或主机查询从机返回的数据都应由主机发起。

当主机向从机发送数据控制从机时，主机应当处于发送状态；当主机查询从机返回的数据，首先应按照预先约定的格式发送一组寻址数据帧。

总结来说主机找从机第一个目的是向从机发送数据，第二个目的是主机找到从及后将从机的数据发送到主机 。

即在硬件通信层确保数据能够传输和接收的前提下，再利用软件层来约束传输的数据形式和传输规则。

最简单的一种主机控制从机可以见图4 ，但这种随意的约定格式通用适配性差，因此需要一款统用的软件层通信协议来对所需功能进行规定。

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常见硬件通信协议

不同的硬件、设备之间的数据通信都离不开协议，协议是用来解决多设备协同工作问题，那么两台互相不了解，甚至有不同厂商在不同时间地点的设备如何知晓对方的信息，这就需要我们在两台设备在建立前就进行一定的约束，这种约束可以让两台设备具有相通性，这可以理解为不同设备之间的“合同”。这些协议通常可以分为串行通信协议和并行通信协议。

接下来，来主要介绍目前主流的协议家族：

SPI协议

协议特点 ：它以主从方式工作，这种模式通常有一个主设备和一个或多个从设备，需要至少4根线，事实上3根也可以（单向传输时）。

通信原理 ：外设的写操作和读操作是同步完成的。如果只进行写操作，主机只需忽略接收到的字节；反之，若主机要读取从机的一个字节，就必须发送一个空字节来引发从机的传输。

I2C协议

协议特点： 实现I2C需要两根信号线完成信息交换，SCL时钟信号线，SDA数据输入/输出线。它属于同步通信，由于输入输出数据均使用一根线，因此通信方向为半双工。

通信原理： 和SPI不同的是，I2C可以支持multi-master系统，允许有多个master并且每个master都可以与所有的slaves通信(master之间不可通过I2C通信，并且每个master只能轮流使用I2C总线);I2C的数据传输速率位于串口和SPI之间，大部分I2C设备支持100KHz和400KHz模式。

CAN协议

协议特点： CAN总线使用串行数据传输方式，可以1Mb/s的速率在40m的双绞线上运行，也可以使用光缆连接，而且在这种总线上总线协议支持多主控制器。

通信原理： CAN与I2C总线的许多细节很类似，但也有一些明显的区别。当CAN总线上的一个节点(站)发送数据时，它以报文形式广播给网络中所有节点。对每个节点来说，无论数据是否是发给自己的，都对其进行接收。每组报文开头的11位字符为标识符，定义了报文的优先级，这种报文格式称为面向内容的编址方案。在同一系统中标识符是唯一的，不可能有两个站发送具有相同标识符的报文。当几个站同时竞争总线读取时，这种配置十分重要。

IIC协议

协议特点： IIC协议为两线式串行总线（SDA数据线、SCL时钟线），用于连接微控制器和外围设备、传输速度100-400kHz，高速模式最高可达4MHz，非全双工。

通信原理： 主模式时，IIC的接口启动数据传输并且产生时钟信号。串行数据传输总是以其实条件开始并以停止条件借宿。起始条件和停止条件都是在主模式下由软件产生控制的。

从模式时，IIC接口能识别它自己的地址（7位或者10位）和在数据总线广播的地址（好比每个人都有不同的身份ID，叫到哪个哪个就发生应答），同时软件能够控制开启或者禁止广播呼叫地址的识别

USB协议

协议特点： 通用串行总线（Universal Serial Bus）是连接计算机系统与外部设备的一种串口总线标准，也是一种输入输出接口的技术规范，被广泛地应用于个人电脑和移动设备等信息通讯产品，并扩展至摄影器材、数字电视（机顶盒）、游戏机等其它相关领域。

通信原理： USB总线属于一种轮询式总线，主机控制端口初始化所有的数据传输。每一总线动作最多传送三个数据包，包括令牌(Token)、数据(Data)、联络(HandShake)。按照传输前制定好的原则，在每次传送开始时，主机送一个描述传输动作的种类、方向、USB设备地址和终端号的USB数据包，这个数据包通常被称为令牌包(TokenPacket)。USB设备从解码后的数据包的适当位置取出属于自己的数据。数据传输方向不是从主机到设备就是从设备到主机。

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