万变不离其宗之单片机串口共性问题

由 cathy 提交于周二, 21 七月 2020 - 16:11

[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：

<ul data-tool="mdnice编辑器">
<li>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。</li>
<li>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。</li>
</ul>

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。

<ul data-tool="mdnice编辑器">
<li>
起始位：总是 1 位
</li>
<li>
数据位：常见的有 8 位或 9 位。
</li>
<li>
校验位 <ul>
<li>奇校验</li>
<li>偶校验</li>
<li>无校验</li>
</ul>
</li>
<li>
停止位： <ul>
<li>1 位</li>
<li>2 位</li>
</ul>
</li>
<li>
波特率：bit rate 就是位/秒的概念，就是 1 秒传送多少位的概念。常见的波特率有哪些呢？
</li>
</ul>

这里须注意的要点：

一个有效字节的传输时间怎么算？

比如 9600 下，1 位起始位，8 位数据位，奇校验，1 位停止位，则

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！

<ul data-tool="mdnice编辑器">
<li>
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。
</li>
<li>
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。
</li>
<li>
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！
</li>
<li>
常见的传输位序为低有效位在前。
</li>
<li>
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
</li>
</ul>

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：

<ul data-tool="mdnice编辑器">
<li>RTS:Ready to send,请求发送，用于在当前传输结束时阻止数据发送。</li>
<li>CTS：clear to send,清除发送，用于指示 USART 已准备好接收数据。</li>
</ul>

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：

<ul data-tool="mdnice编辑器">
<li>查询发送/中断接收模式</li>
<li>收发中断模式</li>
<li>DMA 模式</li>
</ul>

查询发送/中断接收模式

这里以伪代码方式描述一下：

<pre>/*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] );
}
}</pre>

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。
<pre>
static uint8 rx_index = 0;
void uart_rx_isr( void )
{
/* 接收报文处理 */
rx_buffer[rx_index++] = UART_RX_REG;
}</pre>
中断接收需要考虑的几个要点：

<ul data-tool="mdnice编辑器">
<li>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。</li>
<li>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。</li>
<li>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。</li>
</ul>

收发中断模式
<pre>
#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*/
}</pre>

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：

<ul data-tool="mdnice编辑器">
<li>溢出错误</li>
<li>噪声检测</li>
<li>帧错误</li>
<li>奇偶校验错误</li>
</ul>

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：

<ul data-tool="mdnice编辑器">
<li>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</li>
<li>准备待发送报文，帧头、帧尾、校验处理</li>
<li>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。</li>
<li>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。</li>
</ul>
DMA 接收模式而言，大致分这样几步：
<ul data-tool="mdnice编辑器">
<li>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</li>
<li>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。</li>
<li>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。</li>
</ul>

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：

<ul data-tool="mdnice编辑器">
<li>对于一些技术点尽量学会将其共性的东西剥离总结出来。</li>
<li>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。</li>
<li>如果本文有喜欢的朋友，后面陆续可以总结一下I2C/SPI等常用接口。</li>
</ul>

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本文转载自：嵌入式客栈微信公众号（作者：逸珺）
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