万变不离其宗之UART要点总结

[导读] 单片机开发串口是应用最为广泛的通信接口，也是最为简单的通信接口之一，但是其中的一些要点你是否明了呢？来看看本人对串口的一些总结，当然这个总结并不能面面俱到，只是将个人认为具有共性以及相对比较重要的点做了些梳理。

啥是串口？

首先这玩意儿分两种：

• 通用异步收发器(UART)是用于异步串行通信的一种物理层标准，其中数据格式和传输速度是可配置的。
• 通用同步收发器(USART)是一种串行接口设备，可以对其进行编程以进行异步或同步通信。

数据格式

线上空闲、无数据状态为常高电平，故逻辑低定义为起始位。

• 起始位：总是1位

• 数据位：常见的有8位或9位。

• 校验位

  • 奇校验
  • 偶校验
  • 无校验

• 停止位：

  • 1位
  • 2位

• 波特率：bit rate 就是位/秒的概念，就是1秒传多少位的概念。常见的波特率有哪些呢？
  

这里须注意的要点：

• 一个有效字节的传输时间怎么算？

  [T=位数*frac{1}{波特率} ]

  比如9600下，1位起始位，8位数据位，奇校验，1位停止位，则

  [T=(1+8+1+1)*frac{1}{9600}=0.00114583秒 ]

  为什么要理解清楚这个概念呢，因为在应用中需要计算数据吞吐率问题，就比如一个应用是数据采集串口传输问题，需要计算采集的位速率需要小于或等于传输波特率，否则数据就来不及传。当然如果说你有足够大的缓冲区可以临时存储，但是如果进来太快，而传出速度跟不上，多大的缓冲都会满！

• 校验位有用吗？当你的传输介质处于一个有干扰的场景下，校验位就可以从物理层检测出错误。

• 理解数据编码方式有啥意义呢？比如在调试中你可以利用逻辑分析直接去解析收发线上的数据报文。

• 应用电路设计的时候RX-TX相连，很多初学者容易在这里踩坑！

• 常见的传输位序为低有效位在前。

• 对于波特率而言需要注意波特率发生器有可能带来误码问题

啥是UART？

两边分别代表两个通信的设备，单从UART编程的角度讲收发不需要物理同步握手，想发就发。图中箭头代表数据信息流向。RX表示接收数据，TX表示发送数据。数据总是从发送端传递到接收端，这就是为啥RX连接TX，TX连RX的原因。

啥是USART？

同步简单说，收发不可自如，不可以想发就发，收发需要利用硬件IO口进行握手，RTS/CTS就是用于同步的握手信号：

• RTS:Ready to send,请求发送，用于在当前传输结束时阻止数据发送。
• CTS：clear to send,清除发送，用于指示 USART 已准备好接收数据。

这个对于普通应用而言并不常见，这里不做详细展开，需要用到的时候只需要对应收发时控制握手信号即可。

编程策略

对于不同的单片机，其硬件体系各异，寄存器也差异很大，但是从收发编程策略角度而言，常见有下面三种方式：

• 查询发送/中断接收模式
• 收发中断模式
• DMA模式

查询发送/中断接收模式

这里以伪代码方式描述一下：

/*查询发送字节*/
void uart_send_byte( uint8 ch )
{
    /*如果当前串口状态寄存器非空闲，则一直等待*/
    /*注意while循环后的分号，表示循环体为空操作*/
    while( !UART_IS_IDLE() );
    
    /*此时将发送字节写入发送寄存器*/
    UART_TX_REG = ch;    	
}

/*发送一个缓冲区*/
void uart_send_buffer( uint8 *pBuf,uint8 size )
{
    uint8 i = 0;
    /* 异常参数处理*/
    if( pBuf == NULL )
        return;
    
    for( i=0; i<size;i++ )
    {
        send_byte( pBuf[i] );
    }
}

对于接收而言，如采用查询模式则几乎是没有任何应用价值，因为外部数据不知道什么时候会到来，所以查询接受就不描述了，这里描述一下中断接收。

static uint8 rx_index = 0;
void uart_rx_isr( void )
{
    /* 接收报文处理 */
    rx_buffer[rx_index++] = UART_RX_REG;
}

中断接收需要考虑的几个要点：

• 断帧：这就取决于协议怎么制定了，比如应用协议定义的是ASCII码方式，就可以定义同步头、同步尾，比如AT指令的解析，做逻辑判断帧头、帧尾即可。但是如果传输的是16进制数据，比如MODBUS-RTU其断帧采用的是3.5个字节时间没有新的字节接收到，则认为收到完整的帧了。
• 如何保证帧的完整性，一般会在报文尾部加校验，比较常用的校验模式有CRC校验算法。
• 不同的单片机开发环境对于中断向量的处理方式略有不同，需要根据各自芯片的特点进行处理。比如51单片机，其发送/接收都共享一个中断向量号。

收发中断模式

#define FRAME_SIZE  (128u)
static uint8 tx_buffer[FRAME_SIZE];
static uint8 tx_index  = 0;
static uint8 tx_length = 0;

static uint8 rx_buffer[FRAME_SIZE];
static uint8 rx_index = 0;
static bool  rx_frame_done = false;
void prepare_frame( uint8 * pBuf, uint8 size )
{
     /*将待传的报文按照协议封装*/
     /*可能需要处理的事情，比如帧头、帧尾、校验等*/
}

bool uart_start_sending( uint8 * pBuf, uint8 size )
{
    if( pBuf == NULL )
        return false;
    
     memcpy( tx_buffer,pBuf,size );
     tx_index  = 0;
     tx_length = size;
    
     /*使能发送中断，向发送寄存器写入一个字节，进入连续发送模式*/
     ENABLE_TX_INT = 1;
     UART_TX_REG   = tx_buffer[tx_index++];
}

void uart_tx_isr( void )
{
    if( tx_index<tx_length )
    {
        UART_TX_REG   = tx_buffer[tx_index++];
    }
    else
    {
        /*发送完毕，关闭发送中断*/
        DISABLE_TX_INT = 1;
    }
}

void uart_rx_isr( void )
{
    /*处理接收，待接收到完整的帧就设置帧完成标记*/
    /*由于应用各有不同，这里就无法描述实现了*/
}

还需要考虑的是，对于UART硬件层面的出错处置，以STM32为例，就可能有下面的错误可能发生：

• 溢出错误
• 噪声检测
• 帧错误
• 奇偶校验错误

另外不同的单片机其底层硬件实现差异也不较大，比如有的硬件发送缓冲是单字节的缓冲，有的则具有FIFO，这些在选型编程时都需要综合考虑。

DMA模式

DMA发送模式而言，大致分这样几步：

• 初始化UART为DMA发送模式，开启DMA结束中断，并写好DMA传输结束中断处理函数
• 准备待发送报文，帧头、帧尾、校验处理
• 将待发送报文缓冲区首地址赋值给DMA源地址，DMA目标地址设置为UART发送寄存器，设置好发送长度。
• 启动DMA传输，剩下传输完成就会进入传输结束中断处理函数。

DMA接收模式而言，大致分这样几步：

• 初始化UART为DMA接收模式，开启DMA结束中断，并写好DMA传输结束中断处理函数
• 中断处理函数中标记接收到帧，对于使用RTOS而言，还可以使用的机制是利用RTOS的事件机制、消息机制进行通知有新的帧接收到了。
• 对于DMA接收模式而言，对于变长帧的处理较为不利，所以如果想使用DMA接收，制定协议时尽量考虑将帧长度固定，这样处理会方便些。

总结一下

单片机串口是一个需要好好掌握的内容，这里总结了一些个人经验，尽量将一些个人共性的东西总结出来。至于实际实现而言，由于芯片体系差异较多，具体代码各异。但个人认为处置的思路方法却是基本一致。所以本文除了描述串口本身的细节而言，想表达的一个额外的观点是：

• 对于一些技术点尽量学会将其共性的东西剥离总结出来。
• 总结、概括、剥离抽象是一个比较好的学习思路，不用对具体的硬件死记，万变不离其宗。
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