［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。

1 o' ^4 Z  h1 ]" j

啥是串口？首先这玩意儿分两种：

* I' n5 c) @4 }" f  V0 @

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。

$ p1 U( F7 z' S7 b- F1 Q

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

. G: l3 P/ a) P5 Y7 D2 j' u

        

% p& _. a4 P( X' c0 N

线上空闲、无数据状态为常高电平，故逻辑低定义为起始位。

$ n. i, `% G: X# c" b

起始位：总是 1 位

* M6 U; {  Q3 A2 |% w+ A

数据位：常见的有 8 位或 9 位。

" z) o0 z0 E( B, K' X0 O5 Y8 b

校验位

奇校验

偶校验

无校验

8 h* }( T6 h2 h7 m6 ]

停止位：

1 位

0 d( f# Y& o0 P" z

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？

4 B7 V6 @% P$ g

        

1 @, q" [; a/ l- x

这里须注意的要点：

6 C7 F+ N9 ]/ p# B% |7 v

一个有效字节的传输时间怎么算？

: T" E, Y% w. ~% S+ E

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！

# D) \5 u/ ]* l% T# m1 F' ^

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。

* x; x9 `7 ^5 y) a8 U

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！

6 |! m, ^. {+ c0 N7 u2 U( y+ p

常见的传输位序为低有效位在前。

* k( W2 U5 P! s# _2 B

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

9 K6 p3 x8 O/ R& y) d' @* N' o

啥是 UART？

        

2 R" a8 T( b$ s- Y" b# W

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？

        

* Y' g$ o# z+ T; w& ?2 x

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。

* Z8 T' m% ]/ l6 K* V+ [3 o

CTS：clear to send，清除发送，用于指示 USART 已准备好接收数据。

8 P# }! H5 _! ]

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

9 t" s7 H1 J* q$ f, n" G( E

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*/

0 a. E: L! f6 d% ]

        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（） ）;

- r8 R0 B8 V, N

        /*此时将发送字节写入发送寄存器*/

. p2 _* B: b/ H: @

        UART_TX_REG = ch;

        }

  k5 c  U4 o. t1 l4 a' V

        /*发送一个缓冲区*/

        void uart_send_buffer（ uint8 *pBuf，uint8 size ）

2 K0 L9 V; }; ^/ x/ P( Z

        {

: d9 S: }& O& R

        uint8 i = 0;

        /* 异常参数处理*/

. P: m7 S+ }  \- a# G7 }3 f

        if（ pBuf == NULL ）

        return;

. G- _/ V, k; v0 R9 i. ?& N

        for（ i=0; i《size;i++ ）

4 o4 f& X9 k7 r1 M5 H

        {

8 l( L8 Q7 }8 z# U0 d/ |

        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;

, k9 k! D$ }" z* `1 Z; j4 n" ^

        void uart_rx_isr（ void ）

4 T, B. V0 i! \1 N* g8 z5 i7 G% y+ M; F

        {

        /* 接收报文处理 */

6 _) b8 @& C+ T, Z/ ~, D) B/ u1 `4 i

        rx_buffer［rx_index++］ = UART_RX_REG;

        }

中断接收需要考虑的几个要点：

# ]5 W8 D) Y, r: @  Z6 Q) e

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 F" i* E% G) z0 a6 H6 S- K( e- R

        收发中断模式#define FRAME_SIZE （128u）

        staTIc uint8 tx_buffer［FRAME_SIZE］;

5 n5 \" x& R1 B& J

        staTIc uint8 tx_index = 0;

        staTIc uint8 tx_length = 0;

. z! X) V/ }7 A1 x+ a7 D% {5 G% _

        staTIc uint8 rx_buffer［FRAME_SIZE］;

        static uint8 rx_index = 0;

        static bool rx_frame_done = false;

& C- m3 a- b' G- e

        void prepare_frame（ uint8 * pBuf， uint8 size ）

        {

! H' a! I# H0 N; G) _, c

        /*将待传的报文按照协议封装*/

+ H6 x* _4 w2 M

        /*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 ）

  q" N( \! D+ M0 O0 Y% n

        {

- k/ g4 @5 }* e$ e

        if（ pBuf == NULL ）

* j! ]3 ]* d# C+ |

        return false;

        memcpy（ tx_buffer，pBuf，size ）;

% w8 }* s& L1 C8 ~2 H

        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*/

2 F2 G; O) |( t

        ENABLE_TX_INT = 1;

        UART_TX_REG = tx_buffer［tx_index++］;

; a/ {( r% o* T% ?; B

        }

3 Y; T6 c" [% w* W/ N

        void uart_tx_isr（ void ）

  _8 H$ H" H1 O- j0 }

        {

        if（ tx_index《tx_length ）

& P" S# Q+ ^7 R; A

        {

" Q# F( h' b" @1 K

        UART_TX_REG = tx_buffer［tx_index++］;

        }

! i* c; r1 N1 g! z& V0 p$ n

        else

" p1 P4 n& P- z. f1 U

        {

        /*发送完毕，关闭发送中断*/

2 z! j; G# D6 y6 A! h% c7 V  b

        DISABLE_TX_INT = 1;

        }

        }

        void uart_rx_isr（ void ）

. f( }$ ^$ a! X: ~) K

        {

        /*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*/

        }

7 ~$ v  b; K" p7 i! e

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

  p, E6 a# }  r* k% t4 I4 f  d

噪声检测

& i; B5 K; t- d4 k8 l

帧错误

奇偶校验错误

8 q( T- b" Z7 _% H

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：

$ `& Z/ ^3 z4 n( |- q

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

0 a. b) d4 E, Q7 V

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。

1 A; Y) C: V0 t( Y

DMA 接收模式而言，大致分这样几步：

$ [2 c0 e1 n" k  H

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

* K' B+ l& R4 u; T. Y6 g" `2 j

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。

& Y2 \* _# }/ L5 G( U

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。

3 S  }, C  b2 J/ u3 E! t' d

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。