［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。

. U' \" C# I9 \2 t8 H3 L+ C8 |! Y8 e

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。

8 ]8 ?% b! @4 F+ x& t$ [% k

起始位：总是 1 位

+ s" z9 ]! u( G: u7 X+ W

数据位：常见的有 8 位或 9 位。

校验位

奇校验

偶校验

无校验

4 {* c  l3 M6 k

停止位：

3 Z1 |; C+ z/ w+ C, o

1 位

. ]. G# L$ Q: w; b* J+ ]6 l0 _

2 位

9 j1 d' z3 k, J* E- d

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？

        

$ z/ f6 [* _. |1 n4 g+ b. w, e

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

4 j: t2 ^7 ?" W! e

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！

. p! k# I# F% ~4 H  G7 A2 Q

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。

9 Y* r( e' \8 p7 v$ {3 D

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！

) j1 R. l9 }  p: c* H

常见的传输位序为低有效位在前。

& J+ f" S: A; [- }

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？

1 D% F4 E: {8 y( N$ q# u3 H' ^

        

& J' b5 d4 B, m5 x7 i; A

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。

* n; a  H. Y" l/ o+ h* n' s

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：

+ ?- W0 x8 Q  o, W4 k

RTS:Ready to send，请求发送，用于在当前传输结束时阻止数据发送。

( j: C9 m# `, b  [( u& Z' X  K

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。

& h/ |" H9 R0 w* E' X

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

4 ]& X. C* M( V: Y# V

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：

& R6 S9 @' z% E, I! u7 a6 [4 {

        /*查询发送字节*/

        void uart_send_byte（ uint8 ch ）

2 j- J# j  y1 j* a, b; s

        {

. h% R7 N2 e* [" U

        /*如果当前串口状态寄存器非空闲，则一直等待*/

4 f$ s1 |5 A# x0 e/ p7 R/ c5 x

        /*注意while循环后的分号，表示循环体为空操作*/

0 }. u8 r/ q! u4 B; J

        while（ ！UART_IS_IDLE（） ）;

+ t. A! g6 |8 ^) t' c8 F

        /*此时将发送字节写入发送寄存器*/

3 q7 q. G" [; S$ y: p$ X

        UART_TX_REG = ch;

3 n9 x8 c3 x6 J, b# l  s

        }

        /*发送一个缓冲区*/

        void uart_send_buffer（ uint8 *pBuf，uint8 size ）

' j6 Y5 {7 j( A

        {

        uint8 i = 0;

        /* 异常参数处理*/

        if（ pBuf == NULL ）

        return;

        for（ i=0; i《size;i++ ）

        {

        send_byte（ pBuf［i］ ）;

        }

3 G% i. X& Y% F. c

        }

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。

5 S( L4 s7 [$ p; e( y/ _% @

        static uint8 rx_index = 0;

( Z5 V/ L( ~7 {2 e& m

        void uart_rx_isr（ void ）

        {

1 a* s& H5 ]' J/ |6 }

        /* 接收报文处理 */

( o  b6 \- Z/ Z/ P7 O

        rx_buffer［rx_index++］ = UART_RX_REG;

        }

中断接收需要考虑的几个要点：

, e* B- ]7 {2 ~0 B' \. z

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。

0 _4 i+ @6 V; M) {4 f, \# U

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;

7 Z9 K& N) y- N+ w' m

        staTIc uint8 rx_buffer［FRAME_SIZE］;

        static uint8 rx_index = 0;

; D& N( G6 a% ?2 Q* e8 N

        static bool rx_frame_done = false;

        void prepare_frame（ uint8 * pBuf， uint8 size ）

! s! d! ^  @3 b. N3 [$ F

        {

        /*将待传的报文按照协议封装*/

6 Y* `1 H' W% }6 l5 {3 V

        /*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 ）

        {

, p0 \6 U# J# V& C

        if（ pBuf == NULL ）

0 P. \' J( j5 B( x

        return false;

        memcpy（ tx_buffer，pBuf，size ）;

0 N$ T9 k$ U0 C" N8 G

        tx_index = 0;

        tx_length = size;

6 @" ~6 P" K$ E: F/ g  R7 D. Y1 F- B$ A

        /*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*/

' O6 F0 C4 q7 A

        ENABLE_TX_INT = 1;

2 Z8 g& o9 \9 a& i5 Y

        UART_TX_REG = tx_buffer［tx_index++］;

        }

        void uart_tx_isr（ void ）

        {

1 o! {7 T. e# f7 X

        if（ tx_index《tx_length ）

$ E5 i4 S4 P% f# s

        {

        UART_TX_REG = tx_buffer［tx_index++］;

( L6 z+ Y, e2 E" q1 R" Y# F: S5 d

        }

% x" z  r2 z4 t! c; s

        else

# B) f; W. J) l! [- f: k$ c

        {

        /*发送完毕，关闭发送中断*/

        DISABLE_TX_INT = 1;

8 `/ I5 v3 u0 k2 q; r  J' D: ?- G

        }

        }

        void uart_rx_isr（ void ）

- O0 i8 u* g" @

        {

$ Y* k- T4 ?* b2 U  [- p3 n5 S

        /*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：

, ]7 v$ E1 h4 D( y! `- W0 `

溢出错误

( }" Z0 Y$ {! q, ~# D: d# L

噪声检测

帧错误

7 X. p8 }  v2 @5 I/ I

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。

8 D- e5 V5 T' Z( {/ H% ^

DMA 模式DMA 发送模式而言，大致分这样几步：

! K$ `% i& |4 V

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。

% X( c) \  Q2 H

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。

8 t! e' \0 n0 u) @9 {& c

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

; z1 s% W5 M: x; U. ]/ S

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。

4 U* [# o8 F& [$ ~& S* ]

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。