第3章 UART 開發(fā)基礎(chǔ)

3.1 同步傳輸與異步傳輸

3.1.1 概念與示例

使用生活例子來說明什么是同步、異步：

• 同步：朋友打電話說到我家吃飯，我在家里等他們
• 異步：朋友沒有提前打招呼，突然就到我家來了

它們的差別在于：有沒有使用一種方法“實現(xiàn)約好時間”。

在電子產(chǎn)品中， 使用同步傳輸時， 一般涉及兩個信號：

• 時鐘信號：用來通知對方要讀取數(shù)據(jù)了
• 數(shù)據(jù)信號：用來傳輸數(shù)據(jù)

同步傳輸示例如下：

• 時鐘信號：打電話，起約定作用
• 數(shù)據(jù)信號：傳輸數(shù)據(jù)

異步傳輸示例如下：

使用異步信號傳輸數(shù)據(jù)時，雙方遵守相同的約定：

• 起始信號：發(fā)送方可以通知接收方"注意了，我要開始傳輸數(shù)據(jù)了"
• 數(shù)據(jù)的表示： 怎么表示邏輯 1，怎么表示邏輯 0。

以紅外遙控器解碼器為例，它向單片機發(fā)出的數(shù)據(jù)格式如下：

• 起始信號：解碼器發(fā)出一個 9ms 的低電平、 4.5ms 的高電平， 用來同時對方說"開始了"

• 表示一位數(shù)據(jù)
  • 邏輯 1：0.56ms 的低電平+1.69ms 的高電平
  • 邏輯 0：0.56ms 的低電平+0.56ms 的高電平

• 接收方、發(fā)送方都遵守這樣的約定， 就可以使用一條線傳輸數(shù)據(jù)

3.1.2 差別

3.2 UART 協(xié)議與操作方法

3.2.1 UART 協(xié)議

通用異步收發(fā)器簡稱 UART，即“Universal Asynchronous Receiver Transmitter”， 它用來傳輸串行數(shù)據(jù)：發(fā)送數(shù)據(jù)時，CPU 將并行數(shù)據(jù)寫入 UART，UART 按照一定的格式在一 根電線上串行發(fā)出；接收數(shù)據(jù)時， UART 檢測另一根電線上的信號，將串行數(shù)據(jù)收集放在緩 沖區(qū)中，CPU 即可讀取 UART 獲得這些數(shù)據(jù)。 UART 之間以全雙工方式傳輸數(shù)據(jù)，最精簡的連 線方法只有三根電線：TxD 用于發(fā)送數(shù)據(jù)， RxD 用于接收數(shù)據(jù)，GND 用于給雙方提供參考電 平，連線如圖所示：

UART 使用標(biāo)準(zhǔn)的 TTL/CMOS 邏輯電平(0～5V、0～3.3V、0～2.5V 或 0～1.8V 四種)來表 示數(shù)據(jù)，高電平表示 1，低電平表示 0。進行長距離傳輸時，為了增強數(shù)據(jù)的抗干擾能力、 提高傳輸長度， 通常將 TTL/CMOS 邏輯電平轉(zhuǎn)換為 RS-232 邏輯電平， 3～12V 表示 0，-3～- 12V 表示 1。

TxD、RxD 數(shù)據(jù)線以“位”為最小單位傳輸數(shù)據(jù)。幀(frame)由具有完整意義的、不可 分割的若干位組成，它包含開始位、數(shù)據(jù)位、較驗位(需要的話)和停止位。發(fā)送數(shù)據(jù)之前，

UART 之間要約定好數(shù)據(jù)的傳輸速率(即每位所占據(jù)的時間，其倒數(shù)稱為波特率)、數(shù)據(jù)的傳

輸格式(即有多少個數(shù)據(jù)位、是否使用較驗位、是奇較驗還是偶較驗、有多少個停止位)。 數(shù)據(jù)傳輸流程如下：

• 平時數(shù)據(jù)線處于“空閉”狀態(tài)(1 狀態(tài))。
• 當(dāng)要發(fā)送數(shù)據(jù)時，UART 改變 TxD 數(shù)據(jù)線的狀態(tài)(變?yōu)?0 狀態(tài))并維持 1 位的時間──這 樣接收方檢測到開始位后，再等待 1.5 位的時間就開始一位一位地檢測數(shù)據(jù)線的狀態(tài) 得到所傳輸?shù)臄?shù)據(jù)。
• UART 一幀中可以有 5、6、7 或 8 位的數(shù)據(jù)，發(fā)送方一位一位地改變數(shù)據(jù)線的狀態(tài)將它 們發(fā)送出去，首先發(fā)送最低位。
• 如果使用較驗功能， UART 在發(fā)送完數(shù)據(jù)位后，還要發(fā)送 1 個較驗位。有兩種較驗方法： 奇較驗、偶較驗──數(shù)據(jù)位連同較驗位中， “1”的數(shù)目等于奇數(shù)或偶數(shù)。
• 最后， 發(fā)送停止位， 數(shù)據(jù)線恢復(fù)到“空閉”狀態(tài)(1 狀態(tài))。停止位的長度有 3 種： 1 位、 1.5 位、 2 位。

下圖演示了 UART 使用 7 個數(shù)據(jù)位、偶較驗、2 個停止位的格式傳輸字符“A ”(二進制 值為 0b01000001)時， TTL/CMOS 邏輯電平、 RS-232 邏輯電平對應(yīng)的波形。

雙方約定了“傳輸一 bit 數(shù)據(jù)的時間”， 就可以算出 1 秒內(nèi)能傳輸多少 bit 數(shù)據(jù)， 這 被稱為“比特率”， 又經(jīng)常被稱為“波特率”。兩者有什么關(guān)系？

假設(shè)發(fā)送方 A 能精確控制信號的電壓， 接收方 B 也能精確識別電壓， 雙方如此約定：

那么要傳輸一個字節(jié)的數(shù)據(jù)， 比如 0x78，它的二進制數(shù)為 0b01,11,10,00，只需要傳 輸 4 次（假設(shè) 1ms 改變一次電壓， 假設(shè)先傳輸?shù)臀唬?/p>

• 第 1ms，A 設(shè)置電壓為 0V，B 識別出電壓后，認(rèn)為收到了 bit1 為 0、bit0 為 0
• 第 2ms，A 設(shè)置電壓為 1.6V，B 識別出電壓后， 認(rèn)為收到了 bit3 為 1、bit2 為 0
• 第 3ms，A 設(shè)置電壓為 2.4V，B 識別出電壓后， 認(rèn)為收到了 bit5 為 1、bit4 為 1
• 第 4ms，A 設(shè)置電壓為 0.8V，B 識別出電壓后， 認(rèn)為收到了 bit7 為 0、bit6 為 1

只需要 4ms，就傳輸了 4 個狀態(tài)，但是傳輸了 8bit 數(shù)據(jù)：波特率*2=比特率。

假設(shè)發(fā)送方 A 精確控制信號電壓的能力比較差，只能保證 00.7V、1.83.3V 的電壓比 較穩(wěn)定；接收方 B 識別電壓的能力也不夠精確，只能保證可以識別出 0~0.7V、1.8 3.3V 的 電壓， 于是雙方約定：

那么要傳輸一個字節(jié)的數(shù)據(jù)， 比如 0x78，它的二進制數(shù)為 0b01111000，需要傳輸 8 次 （假設(shè) 1ms 改變一次電壓，假設(shè)先傳輸?shù)臀唬?/p>

• 第 1ms，A 設(shè)置電壓為 0V，B 識別出電壓后，認(rèn)為收到了 bit0 為 0
• 第 2ms，A 設(shè)置電壓為 0V，B 識別出電壓后，認(rèn)為收到了 bit1 為 0
• 第 3ms，A 設(shè)置電壓為 0V，B 識別出電壓后，認(rèn)為收到了 bit2 為 0
• 第 4ms，A 設(shè)置電壓為 3.3V，B 識別出電壓后， 認(rèn)為收到了 bit3 為 1
• 第 5ms，A 設(shè)置電壓為 3.3V，B 識別出電壓后， 認(rèn)為收到了 bit4 為 1
• 第 6ms，A 設(shè)置電壓為 3.3V，B 識別出電壓后， 認(rèn)為收到了 bit5 為 1
• 第 7ms，A 設(shè)置電壓為 3.3V，B 識別出電壓后， 認(rèn)為收到了 bit6 為 1
• 第 8ms，A 設(shè)置電壓為 0V，B 識別出電壓后，認(rèn)為收到了 bit7 為 0

需要 8ms，傳輸 8 個狀態(tài)， 傳輸了 8bit 數(shù)據(jù)：波特率=比特率。

所以，波特率： 1 秒內(nèi)傳輸信號的狀態(tài)數(shù)（波形數(shù)）。比特率： 1 秒內(nèi)傳輸數(shù)據(jù)的 bit 數(shù)。如果一個波形， 能表示 N 個 bit，那么：波特率 * N = 比特率。

3.2.2 STM32H5 UART 硬件結(jié)構(gòu)

3.2.3 RS485 協(xié)議

使用 RS485 協(xié)議傳輸數(shù)據(jù)時， 電路圖如下：

RS485 協(xié)議里，使用 A、B 差分信號線傳輸數(shù)據(jù)： 兩線間的電壓差為+（2 至 6）V 表示 邏輯 1，電壓差為-（2 至 6）V 時表示邏輯 0。它是半雙工的傳輸方式：MCU1 要發(fā)送數(shù)據(jù) 時，從 TxD 引腳把數(shù)據(jù)發(fā)送給電平轉(zhuǎn)換芯片 MAX13487EESA，它把 TxD 的信號轉(zhuǎn)換為差分信 號傳遞給另一個電平轉(zhuǎn)換芯片 MAX13487EESA，進而轉(zhuǎn)換為 TTL 電平通過 RO 發(fā)送到 MCU2 的 RxD 引腳。MCU2 要給 MCU1 發(fā)送數(shù)據(jù)的話，必須等待差分信號線處于空閑狀態(tài)。

對于軟件而言， 使用 RS485 跟普通的 UART 沒有區(qū)別。

3.3 UART 編程

3.3.1 硬件連接

按照下圖連線： 調(diào)試、供電、兩個 485 互連。

3.3.2 三種編程方式

結(jié)合 UART 硬件結(jié)構(gòu)， 有 3 種編程方法：

• 查詢方式：
  • 要發(fā)送數(shù)據(jù)時， 先把數(shù)據(jù)寫入 TDR 寄存器， 然后判斷 TDR 為空再返回。當(dāng)然也可以先 判斷 TDR 為空， 再寫入。
  • 要讀取數(shù)據(jù)時， 先判斷 RDR 非空， 再讀取 RDR 得到數(shù)據(jù)。
• 中斷方式：
  • 使用中斷方式， 效率更高，并且可以在接收數(shù)據(jù)時避免數(shù)據(jù)丟失。
  • 要發(fā)送數(shù)據(jù)時， 使能“TXE”中斷（發(fā)送寄存器空中斷）。在 TXE 中斷處理函數(shù)里， 從 程序的發(fā)送 buffer 里取出一個數(shù)據(jù)， 寫入 TDR。等再次發(fā)生 TXE 中斷時， 再從程序的發(fā)送 buffer 里取出下一個數(shù)據(jù)寫入 TDR。
  • 對于接收數(shù)據(jù)，在一開始就使能“RXNE”中斷（接收寄存器非空） 。這樣，UART 接收 到一個數(shù)據(jù)就會觸發(fā)中斷，在中斷程序里讀取 RDR 得到數(shù)據(jù)， 存入程序的接收 buffer。當(dāng) 程序向讀取串口數(shù)據(jù)時， 它直接讀取接收 buffer 即可。
  • 這里涉及的“發(fā)送 buffer”、“接收 buffer”，特別適合使用“環(huán)形 buffer ”。
• DMA 方式：
  • 使用中斷方式時， 在傳輸、接收數(shù)據(jù)時，會發(fā)生中斷， 還需要 CPU 執(zhí)行中斷處理函數(shù)。 有另外一種方法：DMA（Direct Memory Access）， 它可以直接在 2 個設(shè)備之間傳遞數(shù)據(jù)，無需 CPU 參與。

框圖如下：

設(shè)置好 DMA（源、目的、地址增減方向、每次讀取數(shù)據(jù)的長度、讀取次數(shù)）后，DMA 就 會自動地在 SRAM 和 UART 之間傳遞數(shù)據(jù)：

• 發(fā)送時： DMA 從 SRAM 得到數(shù)據(jù)， 寫入 UART 的 TDR 寄存器
• 接收時： DMA 從 UART 的 RDR 寄存器得到數(shù)據(jù)， 寫到 SRAM 去
• 指定的數(shù)據(jù)傳輸完畢后，觸發(fā) DMA 中斷；在數(shù)據(jù)傳輸過程中，沒有中斷， CPU 無需處理。

函數(shù)如下：

3.3.3 查詢方式

本 節(jié) 程 序 源 碼 為 “ 3_ 程 序 源 碼 ?1_ 視 頻 配 套 的 源 碼 3-4_UART 編程 ( 查 詢 方 式)uart_poll.7z”。
缺點： 發(fā)送數(shù)據(jù)時要死等發(fā)送完畢，接收數(shù)據(jù)時容易丟失。

3.3.4 中斷方式

本 節(jié) 程 序 源 碼 為 “ 3_ 程 序 源 碼 ?1_ 視 頻 配 套 的 源 碼 3-5_UART 編程 ( 中 斷 方 式)uart_int.7z”。
缺點： 需要是事先調(diào)用接收函數(shù)， 才能通過中斷接收數(shù)據(jù)， 易丟失。

3.3.5 DMA 方式

本 節(jié) 程 序 源 碼 為 “ 3_ 程序源碼 ?1_ 視 頻 配 套 的 源 碼 3-6_UART 編程 (DMA 方 式)uart_dma.7z”。
本節(jié)講的是傳統(tǒng) DMA 方式，不涉及“idle 中斷”， 它會在后面講解。 缺點： 需要是事先調(diào)用接收函數(shù)， 才能通過中斷接收數(shù)據(jù)， 易丟失。

3.4 效率最高的 UART 編程方法

3.4.1 IDLE 中斷

IDLE，空閑的定義是：總線上在一個字節(jié)的時間內(nèi)沒有再接收到數(shù)據(jù)。

UART 的 IDLE 中斷何時發(fā)生？ RxD 引腳一開始就是空閑的啊， 難道 IDLE 中斷一直產(chǎn)生？ 不是的。當(dāng)我們使能 IDLE 中斷后，它并不會立刻產(chǎn)生，而是： 至少收到 1 個數(shù)據(jù)后， 發(fā)現(xiàn) 在一個字節(jié)的時間里，都沒有接收到新數(shù)據(jù)，才會產(chǎn)生 IDLE 中斷。

我們使用 DMA 接收數(shù)據(jù)時，確實可以提高 CPU 的效率， 但是“無法預(yù)知要接收多少數(shù) 據(jù)”， 而我們想盡快處理接收到的數(shù)據(jù)。怎么辦？ 比如我想讀取 100 字節(jié)的數(shù)據(jù)， 但是接 收到 60 字節(jié)后對方就不再發(fā)送數(shù)據(jù)了， 怎么辦？ 我們怎么判斷數(shù)據(jù)傳輸中止了？ 可以使用 IDLE 中斷。在這種情況下，DMA 傳輸結(jié)束的條件有 3：

• 接收完指定數(shù)量的數(shù)據(jù)了， 比如收到了 100 字節(jié)的數(shù)據(jù)了，HAL_UART_RxCpltCallback 被調(diào)用
• 總線空閑了： HAL_UARTEx_RxEventCallback 被調(diào)用
• 發(fā)生了錯誤： HAL_UART_ErrorCallback 被調(diào)用

使用 IDLE 狀態(tài)來接收的函數(shù)有：

3.4.2 DMA 發(fā)送/DMA+IDLE 接收

要點有 3：

• 對于發(fā)送：使用“HAL_UART_Transmit_DMA”函數(shù)
• 對于接收：一開始就調(diào)用“HAL_UARTEx_ReceiveToIdle_DMA”啟動接收
• 在回調(diào)函數(shù)“HAL_UART_RxCpltCallback”或“HAL_UARTEx_RxEventCallback”里讀取、 存儲數(shù)據(jù)后，再次調(diào)用“HAL_UARTEx_ReceiveToIdle_DMA”啟動接收

3.5 在 RTOS 里使用 UART

3.5.1 程序框架

本程序的重點在于如何高效地接收數(shù)據(jù)：

• 使用 DMA+IDLE 中斷的方式接收數(shù)據(jù)，它會把數(shù)據(jù)存入臨時緩沖區(qū)；
• 在回調(diào)函數(shù)里：把臨時緩沖器的數(shù)據(jù)寫入隊列，然后再次使能 DMA
• AP 讀取隊列： 如果隊列里沒有數(shù)據(jù)則阻塞。

框架如下：

3.5.2 編寫程序

本 節(jié) 程 序 源 碼 為 “ 3_ 程 序 源 碼 ?1_ 視 頻 配 套 的 源 碼 3-8_ 在 RTOS 里 使 用 UARTuart_rtos.7z”。

3.5.3 面向?qū)ο蠓庋b UART

我們使用多個 UART：UART2、UART4，以初始化為例，有如下函數(shù)：

void UART2_Rx_Start(void);
void UART4_Rx_Start(void) ;

對于使用者而言，非常不友好：當(dāng) UART 數(shù)量增多，他需要記住、使用多個函數(shù)名；當(dāng) 更換某個 UART，他需要修改多處代碼。 比如對于如下代碼， 當(dāng)需要更換為 UART4 時， 需要 修改第 1、3 行代碼為 UART4 的函數(shù)：

uart2_init(115200, 'N', 8, 1);
 char *str = “www.100ask.net”;
 uart2_sendp(str, strlen(str), 100);

把 UART 的操作封裝為結(jié)構(gòu)體， 可以解決這個問題。 UART 的操作主要有 3 個函數(shù)： 初始 化、發(fā)送數(shù)據(jù)、接收數(shù)據(jù)。那么可以抽象出如下結(jié)構(gòu)體：

struct UART_Device {
    char *name;
    int (*Init)( struct UART_Device *pDev, int baud, char parity, int data_bit, int stop_bit);
    int (*Send)( struct UART_Device *pDev, uint8_t *datas, uint32_t len, int timeout); 
    int (*RecvByte)( struct UART_Device *pDev, uint8_t *data, int timeout);
};

本節(jié)為 UART2、UART4 分別構(gòu)造一個“struct UART_Device”結(jié)構(gòu)體，比如：

strcut UART_Device g_uart2_dev = {“uart2”, uart2_init, uart2_send, uart2_recvbyte};
strcut UART_Device g_uart4_dev = {“uart4”, uart4_init, uart4_send, uart4_recvbyte};

使用時，示例代碼如下：

struct UART_Device *pDev = &g_uart2_dev;
pDev- >Init(pDev, 115200, 'N', 8, 1);
char *str = “www.100ask.net”;
pDev- >Send(pDev, str, strlen(str), 100);

如果要更換串口，只需要修改第 1 行代碼， 讓它指向 g_uart4_dev 即可：這就是面向 對象編程的優(yōu)點。

本節(jié)代碼為： 本節(jié)程序源碼為“3_程序源碼?1_視頻配套的源碼3-9_面向?qū)ο蠓庋b UARTuart_rtos_all_ok.7z ”

先使用 STM32CubeMX 配置 UART2、UART4，把它們的發(fā)送、接收都使用 DMA。如下圖配 置：