流控的概念源于 RS232 這個標(biāo)準(zhǔn)，在 RS232 標(biāo)準(zhǔn)里面包含了串口、流控的定義。大家一定了解，RS232 中的“RS”是Recommend Standard 的縮寫，即”推薦標(biāo)準(zhǔn)“之意，它并不像 IEEE-1284、IEEE-1394 等標(biāo)準(zhǔn)，是由“委員會定制”。因而，不同的廠商在做 RS232 時，多少會有不同，流控也都會存在差異。以下我們與大家一起探討流控的作用、搭建及如何操作。

本文著重探討硬件流控。

為什么需要流控?

數(shù)據(jù)在兩個串口之間進(jìn)行通訊的時候常常會出現(xiàn)丟失數(shù)據(jù)的現(xiàn)象，比如兩臺計(jì)算機(jī)或者是一臺計(jì)算機(jī)和一個單片機(jī)之間進(jìn)行通訊，當(dāng)接收端的數(shù)據(jù)緩沖區(qū)已經(jīng)滿了，這個時候如果還有數(shù)據(jù)發(fā)送過來，因?yàn)榻邮斩藳]有時間進(jìn)行處理，那這樣的數(shù)據(jù)就有可能會丟失。在工業(yè)現(xiàn)場或者其他領(lǐng)域，經(jīng)常會遇到這種問題，本質(zhì)原因是速度不匹配、處理能力不匹配。比如單片機(jī)的主頻只有20M或30M，ARM的處理能力可能是200M，PC機(jī)的處理能力是幾個G，這種處理能力的不匹配造成了傳輸?shù)臅r候數(shù)據(jù)容易丟失。

硬件流控就是來解決這個速度匹配的問題。它的基本含義非常簡單，當(dāng)接收端接收到的數(shù)據(jù)處理不過來時，就向發(fā)送端發(fā)送不再接收的信號，發(fā)送端接收到這個信號之后就會停止發(fā)送，直到收到可以繼續(xù)發(fā)送的信號再繼續(xù)發(fā)送。因此流控本身是可以控制數(shù)據(jù)傳輸?shù)倪M(jìn)度，進(jìn)而防止數(shù)據(jù)丟失。

一般常用的流控方式有兩種：硬件流控和軟件流控。本文主要探討硬件流控。

如何在STM32上搭建硬件流控?

▲圖1，硬件流控的連接原理圖

圖1中，以前用到的 TX 和 RX，也就是簡單的三線串口的通訊方式，如果使能了硬件流控，在這個基礎(chǔ)上需要增加兩根控制線，一根叫 CTS(Clear To Send 為輸入信號，一根叫 RTS(Require To Send 為輸出信號)。其實(shí)從名字上也可以看到，一個是接收控制，一個是發(fā)送控制。

從硬件連接原理圖中我們可以看到，如果從 USART 1 向 USART 2 發(fā)送的話，USART 1 的 TX 和 USART 2 的 RX 相連，USART 1 的 CTS 和 USART 2 的 RTS 相連，數(shù)據(jù)的方向是從 TX 到 RX，從串口1到串口2，流控是從 RTS 到 CTS 也就是從串口2到串口1。

數(shù)據(jù)線方向與流控線數(shù)據(jù)方向相反

從圖1 - 硬件流控的連接原理圖中，大家可以發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)線方向與流控線數(shù)據(jù)方向是相反的，為什么呢?文章前面提到了流控的主要概念是指接收端沒有時間處理這樣的數(shù)據(jù)或者是處理能力比較弱，所以需要讓發(fā)送端等待，接收端發(fā)出來的信號叫 RTS 信號，發(fā)送端檢測管腳叫 CTS。因此，硬件連接原理圖的下半部分和上半部分正好相反，接收端和串口2的TX相連，RTS和串口2的CTS相連。

數(shù)據(jù)在接收的時候具體如何操作?

▲圖2，接收與RTS信號原理圖

從圖2 - 接收與 RTS 信號原理圖中，我們可以看到，RTS 信號在數(shù)據(jù)沒有被讀取之前都是保持在高電平狀態(tài)，我們可以看到在 Start 之前都是高電平，這也就是告訴發(fā)送端，數(shù)據(jù)還沒有被拿走，請發(fā)送端等待，一旦數(shù)據(jù)被 DMA 或者 CPU 從 DR 寄存器讀取之后，RTS 就釋放高電平，變?yōu)榈碗娖?，這時候發(fā)送端如果想發(fā)送數(shù)據(jù)的話就可以直接發(fā)送了。

一句話概括，就是 RTS 表示了 USART 是否已經(jīng)準(zhǔn)備好接收新的數(shù)據(jù)了。

另外，我們需要注意，當(dāng) USART 的 FIFO 模式也就是緩沖模式開啟的時候，在 FIFO 滿的時候才會去拉高 RTS 信號。

▲圖3，發(fā)送與CTS信號原理圖

圖3 - 發(fā)送與 CTS 信號原理圖中，TDR 是 USART 的發(fā)送寄存器，在這個寄存器中寫入數(shù)據(jù)，如果這時候在移位寄存器中沒有數(shù)據(jù)正在發(fā)送，硬件就會把 TDR 中的內(nèi)容搬移到移位寄存器中，之后按照設(shè)置好的波特率、數(shù)據(jù)位等數(shù)據(jù)格式開始直接發(fā)送數(shù)據(jù)。這就是一個正常的數(shù)據(jù)發(fā)送的流程。

如果使能了硬件流控的功能，就會增加一個實(shí)時檢測的步驟。在圖3中，當(dāng)沒有收到CTS信號的時候，TX 發(fā)送線上數(shù)據(jù)是連續(xù)發(fā)送的，表現(xiàn)形式為：在 STOP 位后緊跟著就是下一個數(shù)據(jù)的 Start bit。

當(dāng) Data 2 還在 TX 線上進(jìn)行發(fā)送的時候，如果此時在 CTS 信號上檢測到了高電平，即使在 Data 2 的 STOP 位發(fā)送完之前寫入了 Data 3，在當(dāng)前的字節(jié)發(fā)送完之后是不會馬上發(fā)送新寫入的數(shù)據(jù)的，而是要等待，直到在 CTS 管腳上檢測為低電平后，TX腳上才會開啟 Data 3 的 Start 信號。

這里其實(shí)我們可以簡單理解一下，在發(fā)送的時候要實(shí)時監(jiān)測 CTS 的電平狀態(tài)，如果發(fā)現(xiàn)是高電平，就不會再發(fā)送新的數(shù)據(jù)，直到 CTS 檢測發(fā)現(xiàn)已經(jīng)沒有高電平信號了。

需要注意的是在當(dāng)前字節(jié)發(fā)送完之前的三個時鐘周期，CTS 需要提前置位上，也就是在Data 2 結(jié)尾的地方如果只差一個 STOP bit，那有可能把 Data 3 連續(xù)發(fā)送出去。

有人可能會有疑問，CTS 不是馬上就置位了嗎，而且 Data 2 還沒有完全發(fā)送出去。其實(shí)它是去檢查 CTS 的標(biāo)志位，設(shè)置這個標(biāo)志位至少需要兩個時鐘周期，設(shè)置好了 CTS 的標(biāo)志位之后，硬件才會去檢查進(jìn)而不去發(fā)送 Data 3 的 Start bit。但如果設(shè)置的 CTS 或者是檢查到的 CTS 已經(jīng)是非常晚了，那后面的一個字節(jié)就已經(jīng)發(fā)送過去了，因?yàn)樵诎l(fā)送 Data 3 的時候沒看到有 CTS 的標(biāo)志位，所以就要求我們至少提前三個時鐘周期把 RTS 信號釋放出來，讓 CTS 把這個信號檢測到進(jìn)而讓后面的數(shù)據(jù)不再發(fā)送。RTS 是只要在接收緩沖區(qū)非空的時候就會被提前置位，也就是結(jié)果寄存器里面只要有一個東西就會把它置位，都會放在當(dāng)前的移位緩沖寄存器里。

在原則上是不會出現(xiàn)由于 RTS 置位比較晚，導(dǎo)致 CTS比較慢的現(xiàn)象。但是不排除一種情況，就是 CTS 和 RTS 之間的延遲特別大，或者說串口的波特率特別快，這個時候就容易出現(xiàn)由于 RTS 置位比較晚使得 CTS 比較慢的現(xiàn)象。

軟件配置

▲圖4，軟件配置

在 CubeMX 里可以選擇一個串口模式為異步模式，之后在它下面的硬件流控 RS232 中選擇 CTS/RTS。這里要注意一下，CTS 和 RTS 是可以單獨(dú)使能的，可以根據(jù)速度來選擇使能 CTS 還是 RTS，如果我的速度比較慢的話就使能 RTS，因?yàn)?RTS 是給對方的信號，不需要考慮對方的處理能力。

另外，在 CubeMX 里也可以使能 RS485 的硬件流控，這里的流控實(shí)際上流控的是數(shù)據(jù)的方向，因?yàn)?RS485 是一個半雙工的通訊模式，它的數(shù)據(jù)收的時候就不能發(fā)，發(fā)的時候不能收。STM32 上有一個 DE 管腳和 RS485 的接收器芯片直接相連，控制數(shù)據(jù)的收發(fā)，所以我們要知道在 STM32 的硬件流控中其實(shí)包含兩方面的內(nèi)容，一方面是關(guān)于速度的，也就是 RS232 的 CTS、RTS;另一方面是關(guān)于數(shù)據(jù)的方向的控制，它是基于 RS485 的，在軟件中只需要設(shè)置它的功能，其他使用功能和串口都是一樣的。

硬件流控和軟件流控的區(qū)別

軟件流控是以特殊的字符來代表從機(jī)已經(jīng)不能再接收新的數(shù)據(jù)了，基本的流程就是從機(jī)在接收數(shù)據(jù)很多的時候或主動給發(fā)送端發(fā)送一個特殊字符，當(dāng)發(fā)送端接收到這個特殊字符后就不能再發(fā)送數(shù)據(jù)了。

軟件流控很方便，不需要增加新的硬件，還是以前的TX、RX，但是使用了軟件流控，它本身的字符也是數(shù)據(jù)，這個數(shù)據(jù)只不過是說在軟件里把它設(shè)置了一個特殊的含義。如果它是一個全雙工的通訊，在給另一個串口發(fā)送數(shù)據(jù)的時候如果也包含了這樣一個特殊字符，對方就會誤以為我讓它不要再發(fā)送數(shù)據(jù)了，會有一定的概率出現(xiàn)錯誤，而硬件流控就不需要考慮這方面，只需要使用 CTS 和 RTS，所有的數(shù)據(jù)都是由硬件來操作的。

在實(shí)際的應(yīng)用開發(fā)中，大家需要根據(jù)自己的實(shí)際情況來選擇使用硬件流控還是軟件流控。

審核編輯：符乾江