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[方案相关] UART使用要点总结

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 楼主| 杨寅辉 发表于 2020-7-28 10:06 | 显示全部楼层 |阅读模式
UART, 异步, 收发器, 通信, 异步串行
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。

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 楼主| 杨寅辉 发表于 2020-7-28 10:07 | 显示全部楼层
本帖最后由 杨寅辉 于 2020-7-28 10:20 编辑

数据格式 722175f1f8affa6332.png
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？
  • 745505f1f8b415d1cd.png
  • 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∗1波特率T=位数∗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)∗19600=0.00114583秒T=(1+8+1+1)∗19600=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



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 楼主| 杨寅辉 发表于 2020-7-28 10:21 | 显示全部楼层
本帖最后由 杨寅辉 于 2020-7-28 10:22 编辑

啥是UART？
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。
336375f1f8beb8060a.png
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 楼主| 杨寅辉 发表于 2020-7-28 10:21 | 显示全部楼层
啥是USART？ 223485f1f8baf12ee2.png
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。



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 楼主| 杨寅辉 发表于 2020-7-28 10:24 | 显示全部楼层
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


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 楼主| 杨寅辉 发表于 2020-7-28 10:27 | 显示全部楼层
查询发送/中断接收模式
这里以伪代码方式描述一下：
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  1. /*查询发送字节*/
    

  2. void uart_send_byte( uint8 ch )
    

  3. {
    

  4.     /*如果当前串口状态寄存器非空闲，则一直等待*/
    

  5.     /*注意while循环后的分号，表示循环体为空操作*/
    

  6.     while( !UART_IS_IDLE() );
    

  7.     
    

  8.     /*此时将发送字节写入发送寄存器*/
    

  9.     UART_TX_REG = ch;            
    

  10. }
    


  11. 

  12. /*发送一个缓冲区*/
    

  13. void uart_send_buffer( uint8 *pBuf,uint8 size )
    

  14. {
    

  15.     uint8 i = 0;
    

  16.     /* 异常参数处理*/
    

  17.     if( pBuf == NULL )
    

  18.         return;
    

  19.     
    

  20.     for( i=0; i<size;i++ )
    

  21.     {
    

  22.         send_byte( pBuf[i] );
    

  23.     }
    

  24. }
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。
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  1. static uint8 rx_index = 0;
    

  2. void uart_rx_isr( void )
    

  3. {
    

  4.     /* 接收报文处理 */
    

  5.     rx_buffer[rx_index++] = UART_RX_REG;
    

  6. }
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。

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 楼主| 杨寅辉 发表于 2020-7-28 10:28 | 显示全部楼层
收发中断模式
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  1. #define FRAME_SIZE  (128u)
    

  2. static uint8 tx_buffer[FRAME_SIZE];
    

  3. static uint8 tx_index  = 0;
    

  4. static uint8 tx_length = 0;
    


  5. 

  6. static uint8 rx_buffer[FRAME_SIZE];
    

  7. static uint8 rx_index = 0;
    

  8. static bool  rx_frame_done = false;
    

  9. void prepare_frame( uint8 * pBuf, uint8 size )
    

  10. {
    

  11.      /*将待传的报文按照协议封装*/
    

  12.      /*可能需要处理的事情，比如帧头、帧尾、校验等*/
    

  13. }
    


  14. 

  15. bool uart_start_sending( uint8 * pBuf, uint8 size )
    

  16. {
    

  17.     if( pBuf == NULL )
    

  18.         return false;
    

  19.     
    

  20.      memcpy( tx_buffer,pBuf,size );
    

  21.      tx_index  = 0;
    

  22.      tx_length = size;
    

  23.     
    

  24.      /*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*/
    

  25.      ENABLE_TX_INT = 1;
    

  26.      UART_TX_REG   = tx_buffer[tx_index++];
    

  27. }
    


  28. 

  29. void uart_tx_isr( void )
    

  30. {
    

  31.     if( tx_index<tx_length )
    

  32.     {
    

  33.         UART_TX_REG   = tx_buffer[tx_index++];
    

  34.     }
    

  35.     else
    

  36.     {
    

  37.         /*发送完毕，关闭发送中断*/
    

  38.         DISABLE_TX_INT = 1;
    

  39.     }
    

  40. }
    


  41. 

  42. void uart_rx_isr( void )
    

  43. {
    

  44.     /*处理接收，待接收到完整的帧就设置帧完成标记*/
    

  45.     /*由于应用各有不同，这里就无法描述实现了*/
    

  46. }
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。


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 楼主| 杨寅辉 发表于 2020-7-28 10:29 | 显示全部楼层
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。

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 楼主| 杨寅辉 发表于 2020-7-28 10:29 | 显示全部楼层
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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詹求实 发表于 2020-7-28 22:17 | 显示全部楼层
感觉使用过的串口芯片里，基本没人用过RTS和CTS的。
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LM莫 发表于 2020-7-31 08:20 | 显示全部楼层
楼主的思路相当正确，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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