[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。
& w' l7 x1 `! p$ Y) J

• 起始位：总是 1 位

• 数据位：常见的有 8 位或 9 位。

• 校验位

  
  4 k+ V3 `/ G( `, A1 {% N
  • 奇校验
  • 偶校验
  • 无校验
    . p$ C- w. T7 d* H$ X: y6 N% i2 h( F

• 停止位：

  
  . _1 T  O4 s  L' j
  • 1 位
  • 2 位
    

• 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？

  
  
  

这里须注意的要点：

• 一个有效字节的传输时间怎么算？

  位数波特率

  比如 9600 下，1 位起始位，8 位数据位，奇校验，1 位停止位，则

  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

  
  ) ^' F- G5 z) ^# E- c* G4 d

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 )
  Z  E1 K2 q' j1 N8 Q6 |{
3 j' S; L. U8 ~  x: L/ t0 H) w    /*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() );
% O+ T2 R+ l9 U  o0 p
    /*此时将发送字节写入发送寄存器*/
) d8 N$ e+ G. ^. E; i! B    UART_TX_REG = ch;
}
* [2 _6 a1 P" k1 C' p
/*发送一个缓冲区*/
void uart_send_buffer( uint8 *pBuf,uint8 size )
{
2 r4 [/ C3 J/ d  d    uint8 i = 0;
    /* 异常参数处理*/
4 N/ l1 c4 e7 M3 J    if( pBuf == NULL )
        return;

    for( i=0; i<size;i++ )
    {
        send_byte( pBuf );
    }
}

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;
& d; B4 |. w) l3 ovoid uart_rx_isr( void )
{
: e/ R: `& R9 S) Y: L* C    /* 接收报文处理 */
+ v  t4 U& e- z, r. Z    rx_buffer[rx_index++] = UART_RX_REG;
}
% Y) C4 n- `! u7 W

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。
  9 u, u7 `# _5 T5 A. p

收发中断模式#define FRAME_SIZE  (128u)
" w4 I! k' \% Z$ x9 q$ Z9 o" Mstatic uint8 tx_buffer[FRAME_SIZE];
' T  E; I) s8 A! R* d3 k/ ]5 Jstatic uint8 tx_index  = 0;
( U& D3 x- G1 p9 t% _" q5 r- V5 Ustatic uint8 tx_length = 0;
! f0 M: }) k( ?
4 ?% I% o! b/ R3 Tstatic uint8 rx_buffer[FRAME_SIZE];
! Q" y6 K: q/ t# \$ l* astatic uint8 rx_index = 0;
1 j: E8 y; h- X. I" V* L# ustatic bool  rx_frame_done = false;
void prepare_frame( uint8 * pBuf, uint8 size )
% R/ z/ t8 V" p7 a4 S2 s( {1 C4 T5 \- O{
     /*将待传的报文按照协议封装*/
9 Q8 X+ o/ [# w7 h4 E$ t     /*可能需要处理的事情，比如帧头、帧尾、校验等*/
( r/ R7 e( h8 Z4 }4 O7 G7 R}
. [1 {& q8 s0 F. X
: r! Y% I& g3 I4 e3 J0 ~bool uart_start_sending( uint8 * pBuf, uint8 size )
{
    if( pBuf == NULL )
8 C$ f/ Z* m# w% T5 O9 K        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*/
) C, q- i! w2 I8 |; }. e     ENABLE_TX_INT = 1;
" u  e" u2 ]0 m; q4 b& y8 E6 Y     UART_TX_REG   = tx_buffer[tx_index++];
; p) K* J# n* U" L}

void uart_tx_isr( void )
  l1 Y3 g5 e: u0 j' E' X8 n9 ~+ Q{
    if( tx_index<tx_length )
    {
        UART_TX_REG   = tx_buffer[tx_index++];
; O- T5 U3 X$ F0 \$ ^7 w6 [, g    }
7 O% r5 L$ _' w; h: B9 g& \5 c    else
. ?0 u" `( Y$ H5 a7 H# `    {
( x$ t4 \7 _; q4 z3 k1 W, {5 U1 z( ]! D        /*发送完毕，关闭发送中断*/
% p: W9 u5 ?; u4 q7 P4 Q4 N% k; f        DISABLE_TX_INT = 1;
  C0 l. N' b1 c1 t0 {, g9 m5 Y: t    }
4 I8 n5 v8 T( ]2 f, q$ w, n}
  B4 K$ }( I# x- ^4 [
void uart_rx_isr( void )
{
% ^4 j, F8 R* s5 Y  P* _    /*处理接收，待接收到完整的帧就设置帧完成标记*/
6 G9 l5 a$ l2 \3 ~; K    /*由于应用各有不同，这里就无法描述实现了*/
9 [. }' S9 S0 z( e4 ]9 g7 ?}
" b# z( v' n" m, f3 H) Y8 T8 Q

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
  ) w: P5 I  \  [- W0 I

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。
    D' a" b0 }" w6 p

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。
• 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。