万变不离其宗之UART要点总结资料

本文主要介绍万变不离其宗之UART要点总结资料 方法和在新技术下所面对的“挑战”,方便大家深入理解万变不离其宗之UART要点总结资料 过程。本文也将分享万变不离其宗之UART要点总结资料 所遇到的问题和应对策略,怎么解决怎么做的问题。
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[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同步通信。

数据格式

万变不离其宗之UART要点总结

线上空闲、无数据状态为常高电平,故逻辑低定义为起始位。

  • 起始位:总是1位

  • 数据位:常见的有8位或9位。

  • 校验位

    • 奇校验
    • 偶校验
    • 无校验
  • 停止位:

    • 1位
    • 2位
  • 波特率:bit rate 就是位/秒的概念,就是1秒传多少位的概念。常见的波特率有哪些呢?
    万变不离其宗之UART要点总结

这里须注意的要点:

  • 一个有效字节的传输时间怎么算?

    [T=位数*frac{1}{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

    [T=(1+8+1+1)*frac{1}{9600}=0.00114583秒 ]

    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

啥是UART?

万变不离其宗之UART要点总结

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?

万变不离其宗之UART要点总结

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 ) {     /*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() );          /*此时将发送字节写入发送寄存器*/     UART_TX_REG = ch;    	 }  /*发送一个缓冲区*/ void uart_send_buffer( uint8 *pBuf,uint8 size ) {     uint8 i = 0;     /* 异常参数处理*/     if( pBuf == NULL )         return;          for( i=0; i<size;i++ )     {         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; void uart_rx_isr( void ) {     /* 接收报文处理 */     rx_buffer[rx_index++] = UART_RX_REG; } 

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。

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;  static uint8 rx_buffer[FRAME_SIZE]; static uint8 rx_index = 0; static bool  rx_frame_done = false; void prepare_frame( uint8 * pBuf, uint8 size ) {      /*将待传的报文按照协议封装*/      /*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 ) {     if( pBuf == NULL )         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*/      ENABLE_TX_INT = 1;      UART_TX_REG   = tx_buffer[tx_index++]; }  void uart_tx_isr( void ) {     if( tx_index<tx_length )     {         UART_TX_REG   = tx_buffer[tx_index++];     }     else     {         /*发送完毕,关闭发送中断*/         DISABLE_TX_INT = 1;     } }  void uart_rx_isr( void ) {     /*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:

  • 溢出错误
  • 噪声检测
  • 帧错误
  • 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。

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。

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。
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