萬變不離其宗的單片機(jī)串口共性問題

首發(fā)：嵌入式客棧
作者：逸珺

導(dǎo)讀

單片機(jī)開發(fā)串口是應(yīng)用最為廣泛的通信接口，也是最為簡單的通信接口之一，但是其中的一些要點(diǎn)你是否明了呢？來看看本人對串口的一些總結(jié)，當(dāng)然這個(gè)總結(jié)并不能面面俱到，只是將個(gè)人認(rèn)為具有共性以及相對比較重要的點(diǎn)做了些梳理。

啥是串口？

首先這玩意兒分兩種：

通用異步收發(fā)器(UART) 是用于異步串行通信的一種物理層標(biāo)準(zhǔn)，其中數(shù)據(jù)格式和傳輸速度是可配置的。

通用同步收發(fā)器(USART)是一種串行接口設(shè)備，可以對其進(jìn)行編程以進(jìn)行異步或同步通信。

數(shù)據(jù)格式

線上空閑、無數(shù)據(jù)狀態(tài)為常高電平，故邏輯低定義為起始位。

起始位：總是 1 位

數(shù)據(jù)位：常見的有 8 位或 9 位。

校驗(yàn)位

奇校驗(yàn)

偶校驗(yàn)

無校驗(yàn)

停止位：

1 位

2 位

波特率：bit rate 就是位/秒的概念，就是 1 秒傳送多少位的概念。常見的波特率有哪些呢？

這里須注意的要點(diǎn)：

一個(gè)有效字節(jié)的傳輸時(shí)間怎么算？

位數(shù)波特率

比如 9600 下，1 位起始位，8 位數(shù)據(jù)位，奇校驗(yàn)，1 位停止位，則

為什么要理解清楚這個(gè)概念呢，因?yàn)樵趹?yīng)用中需要計(jì)算數(shù)據(jù)吞吐率問題，就比如一個(gè)應(yīng)用是數(shù)據(jù)采集串口傳輸問題，需要計(jì)算采集的位速率需要小于或等于傳輸波特率，否則數(shù)據(jù)就來不及傳。當(dāng)然如果說你有足夠大的緩沖區(qū)可以臨時(shí)存儲，但是如果進(jìn)來太快，而傳出速度跟不上，多大的緩沖都會滿！

校驗(yàn)位有用嗎？當(dāng)你的傳輸介質(zhì)處于一個(gè)有干擾的場景下，校驗(yàn)位就可以從物理層檢測出錯(cuò)誤。

理解數(shù)據(jù)編碼方式有啥意義呢？比如在調(diào)試中你可以利用邏輯分析直接去解析收發(fā)線上的數(shù)據(jù)報(bào)文。

應(yīng)用電路設(shè)計(jì)的時(shí)候 RX-TX 相連，很多初學(xué)者容易在這里踩坑！

常見的傳輸位序?yàn)榈陀行辉谇啊?/p>

對于波特率而言需要注意波特率發(fā)生器有可能帶來誤碼問題

啥是 UART？

兩邊分別代表兩個(gè)通信的設(shè)備，單從 UART 編程的角度講收發(fā)不需要物理同步握手，想發(fā)就發(fā)。箭頭代表數(shù)據(jù)信息流向。RX 表示接收數(shù)據(jù)，TX 表示發(fā)送數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)總是從發(fā)送端傳遞到接收端，這就是為啥 RX 連接 TX，TX 連 RX 的原因。

啥是 USART？

同步簡單說，收發(fā)不可自如，不可以想發(fā)就發(fā)，收發(fā)需要利用硬件 IO 口進(jìn)行握手，RTS/CTS 就是用于同步的握手信號：

RTS:Ready to send,請求發(fā)送，用于在當(dāng)前傳輸結(jié)束時(shí)阻止數(shù)據(jù)發(fā)送。

CTS：clear to send,清除發(fā)送，用于指示 USART 已準(zhǔn)備好接收數(shù)據(jù)。

這個(gè)對于普通應(yīng)用而言并不常見，這里不做詳細(xì)展開，需要用到的時(shí)候只需要對應(yīng)收發(fā)時(shí)控制握手信號即可。

編程策略

對于不同的單片機(jī)，其硬件體系各異，寄存器也差異很大，但是從收發(fā)編程策略角度而言，常見有下面三種方式：

查詢發(fā)送/中斷接收模式

收發(fā)中斷模式

DMA 模式

查詢發(fā)送/中斷接收模式

這里以偽代碼方式描述一下：

/*查詢發(fā)送字節(jié)*/  
voiduart_send_byte(uint8ch)  
{  
/*如果當(dāng)前串口狀態(tài)寄存器非空閑，則一直等待*/  
/*注意while循環(huán)后的分號，表示循環(huán)體為空操作*/  
while(!UART_IS_IDLE());  
  
/*此時(shí)將發(fā)送字節(jié)寫入發(fā)送寄存器*/  
UART_TX_REG=ch;  
}  
  
/*發(fā)送一個(gè)緩沖區(qū)*/  
voiduart_send_buffer(uint8*pBuf,uint8size)  
{  
uint8i=0;  
/*異常參數(shù)處理*/  
if(pBuf==NULL)  
return;  
  
for(i=0;i

對于接收而言，如采用查詢模式則幾乎是沒有任何應(yīng)用價(jià)值，因?yàn)橥獠繑?shù)據(jù)不知道什么時(shí)候會到來，所以查詢接受就不描述了，這里描述一下中斷接收。

staticuint8rx_index=0;  
voiduart_rx_isr(void)  
{  
/*接收報(bào)文處理*/  
rx_buffer[rx_index++]=UART_RX_REG;  
}  

中斷接收需要考慮的幾個(gè)要點(diǎn)：

斷幀：這就取決于協(xié)議怎么制定了，比如應(yīng)用協(xié)議定義的是 ASCII 碼方式，就可以定義同步頭、同步尾，比如 AT 指令的解析，做邏輯判斷幀頭、幀尾即可。但是如果傳輸?shù)氖?16 進(jìn)制數(shù)據(jù)，比如 MODBUS-RTU 其斷幀采用的是 3.5 個(gè)字節(jié)時(shí)間沒有新的字節(jié)接收到，則認(rèn)為收到完整的幀了。

如何保證幀的完整性，一般會在報(bào)文尾部加校驗(yàn)，比較常用的校驗(yàn)?zāi)Ｊ接?CRC 校驗(yàn)算法。

不同的單片機(jī)開發(fā)環(huán)境對于中斷向量的處理方式略有不同，需要根據(jù)各自芯片的特點(diǎn)進(jìn)行處理。比如 51 單片機(jī)，其發(fā)送/接收都共享一個(gè)中斷向量號。

收發(fā)中斷模式

#defineFRAME_SIZE(128u)  
staticuint8tx_buffer[FRAME_SIZE];  
staticuint8tx_index=0;  
staticuint8tx_length=0;  
  
staticuint8rx_buffer[FRAME_SIZE];  
staticuint8rx_index=0;  
staticboolrx_frame_done=false;  
voidprepare_frame(uint8*pBuf,uint8size)  
{  
/*將待傳的報(bào)文按照協(xié)議封裝*/  
/*可能需要處理的事情，比如幀頭、幀尾、校驗(yàn)等*/  
}  
  
booluart_start_sending(uint8*pBuf,uint8size)  
{  
if(pBuf==NULL)  
returnfalse;  
  
memcpy(tx_buffer,pBuf,size);  
tx_index=0;  
tx_length=size;  
  
/*使能發(fā)送中斷，向發(fā)送寄存器寫入一個(gè)字節(jié)，進(jìn)入連續(xù)發(fā)送模式*/  
ENABLE_TX_INT=1;  
UART_TX_REG=tx_buffer[tx_index++];  
}  
  
voiduart_tx_isr(void)  
{  
if(tx_index

還需要考慮的是，對于 UART 硬件層面的出錯(cuò)處置，以 STM32 為例，就可能有下面的錯(cuò)誤可能發(fā)生：

溢出錯(cuò)誤

噪聲檢測

幀錯(cuò)誤

奇偶校驗(yàn)錯(cuò)誤

另外不同的單片機(jī)其底層硬件實(shí)現(xiàn)差異也不較大，比如有的硬件發(fā)送緩沖是單字節(jié)的緩沖，有的則具有 FIFO，這些在選型編程時(shí)都需要綜合考慮。

DMA 模式

DMA 發(fā)送模式而言，大致分這樣幾步：

初始化 UART 為 DMA 發(fā)送模式，開啟 DMA 結(jié)束中斷，并寫好 DMA 傳輸結(jié)束中斷處理函數(shù)

準(zhǔn)備待發(fā)送報(bào)文，幀頭、幀尾、校驗(yàn)處理

將待發(fā)送報(bào)文緩沖區(qū)首地址賦值給 DMA 源地址，DMA 目標(biāo)地址設(shè)置為 UART 發(fā)送寄存器，設(shè)置好發(fā)送長度。

啟動 DMA 傳輸，剩下傳輸完成就會進(jìn)入傳輸結(jié)束中斷處理函數(shù)。

DMA 接收模式而言，大致分這樣幾步：

初始化 UART 為 DMA 接收模式，開啟 DMA 結(jié)束中斷，并寫好 DMA 傳輸結(jié)束中斷處理函數(shù)

中斷處理函數(shù)中標(biāo)記接收到幀，對于使用 RTOS 而言，還可以使用的機(jī)制是利用 RTOS 的事件機(jī)制、消息機(jī)制進(jìn)行通知有新的幀接收到了。

對于 DMA 接收模式而言，對于變長幀的處理較為不利，所以如果想使用 DMA 接收，制定協(xié)議時(shí)盡量考慮將幀長度固定，這樣處理會方便些。

總結(jié)一下

單片機(jī)串口是一個(gè)需要好好掌握的內(nèi)容，這里總結(jié)了一些個(gè)人經(jīng)驗(yàn)，盡量將一些個(gè)人共性的東西總結(jié)出來。至于實(shí)際實(shí)現(xiàn)而言，由于芯片體系差異較多，具體代碼各異。但個(gè)人認(rèn)為處置的思路方法卻是基本一致。所以本文除了描述串口本身的細(xì)節(jié)而言，想表達(dá)的一個(gè)額外的觀點(diǎn)是：

對于一些技術(shù)點(diǎn)盡量學(xué)會將其共性的東西剝離總結(jié)出來。

總結(jié)、概括、剝離抽象是一個(gè)比較好的學(xué)習(xí)思路，不用對具體的硬件死記，萬變不離其宗。

如果本文有喜歡的朋友，后面陸續(xù)可以總結(jié)一下I2C/SPI等常用接口。

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審核編輯 黃昊宇