单片机通信性能分析和评价方法

2.单片机串行通信接口基本固件特性

单片机串行通信接口一般包括发送数据、接收数据、发送时钟、接收时钟、线路监测、碰撞处理、波特率设置、帧结构设备等。这些固件的特性有一个共同的特点，就是全部以寄存器为操作对象，并在每一个操作指令结束时执行寄存器操作，通过寄存器的输出电路实现相应的功能。由此可知，寄存器操作的特性，就是单片机串行通信接口固件的特性。

（1）次序固定的固件特性。单片机串行以通信接口操作中，必须先进行相应的设置，才能实施通信。这种固定的次序是单片机串行通信接口的重要固件特性，如果忽略了这种次序特性，必然会导致通信失败。

（2）协议相关的固件特性。通信协议是有效利用单片机串行通信接口的基本保证之一。如果在单片机的
通信协议执行过程中出现问题，则通信功能就会丧失。

（3）隐含协调性。所谓隐含协调性指隐含在通信指令集中的协议规定，如发送方与接收方的等待协议规定等。

由此，可以把单片机的固件特性用3个不同集合之交表示：设有通信接口的操作次序集合A、相关协议集合B和隐含规约集合C。A中的每一个元素都是一种正确的通信接口操作次序；B中每一个元素都是一种体现相关协议的通信接口操作要求；C中每一个元素都是一种隐含规约，则符合要求的通信接口控制固件必然是三者之交：

Y=A∩B∩C （4）

由此可知，要检查单片机串行通信接口的基本固件特性，可以使用式（2）进行判别；如果不能满足式（2），就表明单片机串行通信接口的固件特性有问题，会引起通信失效。

三、单片机通信性能分析

上述对单片机串行通信接口的物理特性和因件特性的分析，提供了单片机通信性能分析的基础。单片机通信性能分析包括比特吞吐特性分析、有效性分析和数据安全性分析。

1.比特吞吐特性分析

比特吞吐特性，是指单片机执行通信任务时单位时间内发送和接收的比特数目。比特吞吐特性不能用串行特性的波特率代替。比特吞特性不仅与波特率有关，更与单片机的固件特性有关。不同的通信协议会引起不同的通信操作，形成不同的操作固件。这种固件操作的有效性才是决定比特吞吐特性的关键。

在处理一组数据时，设通信协议处理数据的时间为tp，串行通信发送数据的时间为tc，则总的通信时间为t=tp+tc,因此，串行通信接口的比特吞吐特性可用如下函数表示：

ξ=fctc/(tp+tc) (5)

式中，ξ叫做比特吞吐系数，fc是固件设备的串行通信波特率。可见，在fc固定的条件下，要提高比特吞吐特性，就必须尽量减少tp+tc并增加tc。在tp=0这种极端情况下，比特吞吐系数才能等于通信波特率。

利用比特吞吐系数可以方便地检查单片机的串行通信能力能否满足应用系统的要求。例如，应用系统要求每秒钟内传输10个字节数据，相当于要求每秒钟的比特吞吐系数为80K。这里K是数据帧格式有效系数：异步串行通信中K＞1；同步串行通信中K=1。根据这个要求，可以对应用系统所设计的软件结构进行核实，如果不能满足，则说明应用系统不能满足对通信的要求，必须进行调整。

2.有效性分析

所谓有效性，是指对包括通信协议在内的整个通信过程的有效性。设单片机应用系统发送和接收的控制信息数据是随机函数y=P(x)，其中x代表单位时间内的数据传输量。Y的数据期望是：

σ=E[y]=E[P(x)] (6)

σ叫做单片机串行通信系统的数据传输有效性系数。显然，在满足应用系统功能的前提下，σ的值小，说明数据传输的有效性高；反之，系统数据传输量大，说明系数控制信息的有效性差。必须注意，这里只考虑控制信息，并不包括必要的数据采集。

有效性分析就是要根据系数数据传输的随机分布，估计系统数据的有效性。可以直接利用有效性系数作为检验的标准。

此外，数据识别率也是衡量单片机通信效果和应用系统固件特性的一种重要参数。

数据识别率是指对接收到的数据语义理解的速度。设单片机接收到能代表完整意义的X个字节所需要的时间是tx,语义理解（翻译和判别）需要的时间为tY，则数据识别率为

η=X/(tx+ty) （7）

数据识别率表示了单位时间内单片机通信的效果，η值越大，表明单片机的整体固件特性越好，通信效率越高。

3.数据完全性

数据安全性不仅与系统的串行通信物理特征有关，更主要的是与应用系统通信的固件特性有关，尤其是通信协议中的应用层，直接关系系统的数据安全。

数据安全性可以用通信稳定性和数据识别率表示。

通信稳定性与通信线路和物理接口的侵入和干扰状态有关。对于单片机通信系统来说，当多个单片机采用串行连接的方法连接在1条总线上时，通信线路的侵入状态由通信协议直接确定。如使用令牌通信方式时，基本上没有侵入状态；但如果用客户/服务器方式，侵入状态将随线路上单片机数量的增加而恶化。这是比较复杂的通信系统行为特性分析问题，本文不再分析。