第3章 UART 開發基礎

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“實現約好時間”。

在電子產品中， 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據了
• 數據信號：用來傳輸數據

同步傳輸示例如下：

• 時鐘信號：打電話，起約定作用
• 數據信號：傳輸數據

異步傳輸示例如下：

使用異步信號傳輸數據時，雙方遵守相同的約定：

• 起始信號：發送方可以通知接收方"注意了，我要開始傳輸數據了"
• 數據的表示： 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，它向單片機發出的數據格式如下：

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

• 表示一位數據
  • 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、發送方都遵守這樣的約定， 就可以使用一條線傳輸數據

3.1.2 差別

3.2 UART 協議與操作方法

3.2.1 UART 協議

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

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

TxD、RxD 數據線以“位”為最小單位傳輸數據。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、數據位、較驗位(需要的話)和停止位。發送數據之前，

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

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

• 平時數據線處于“空閉”狀態(1 狀態)。
• 當要發送數據時，UART 改變 TxD 數據線的狀態(變為 0 狀態)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據線的狀態 得到所傳輸的數據。
• UART 一幀中可以有 5、6、7 或 8 位的數據，發送方一位一位地改變數據線的狀態將它 們發送出去，首先發送最低位。
• 如果使用較驗功能， UART 在發送完數據位后，還要發送 1 個較驗位。有兩種較驗方法： 奇較驗、偶較驗──數據位連同較驗位中， “1”的數目等于奇數或偶數。
• 最后， 發送停止位， 數據線恢復到“空閉”狀態(1 狀態)。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 個數據位、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 邏輯電平對應的波形。

雙方約定了“傳輸一 bit 數據的時間”， 就可以算出 1 秒內能傳輸多少 bit 數據， 這 被稱為“比特率”， 又經常被稱為“波特率”。兩者有什么關系？

假設發送方 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的數據， 比如 0x78，它的二進制數為 0b01,11,10,00，只需要傳 輸 4 次（假設 1ms 改變一次電壓， 假設先傳輸低位）：

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

只需要 4ms，就傳輸了 4 個狀態，但是傳輸了 8bit 數據：波特率*2=比特率。

假設發送方 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的數據， 比如 0x78，它的二進制數為 0b01111000，需要傳輸 8 次 （假設 1ms 改變一次電壓，假設先傳輸低位）：

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

需要 8ms，傳輸 8 個狀態， 傳輸了 8bit 數據：波特率=比特率。

所以，波特率： 1 秒內傳輸信號的狀態數（波形數）。比特率： 1 秒內傳輸數據的 bit 數。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 硬件結構

3.2.3 RS485 協議

使用 RS485 協議傳輸數據時， 電路圖如下：

RS485 協議里，使用 A、B 差分信號線傳輸數據： 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 要發送數據 時，從 TxD 引腳把數據發送給電平轉換芯片 MAX13487EESA，它把 TxD 的信號轉換為差分信 號傳遞給另一個電平轉換芯片 MAX13487EESA，進而轉換為 TTL 電平通過 RO 發送到 MCU2 的 RxD 引腳。MCU2 要給 MCU1 發送數據的話，必須等待差分信號線處于空閑狀態。

對于軟件而言， 使用 RS485 跟普通的 UART 沒有區別。

3.3 UART 編程

3.3.1 硬件連接

按照下圖連線： 調試、供電、兩個 485 互連。

3.3.2 三種編程方式

結合 UART 硬件結構， 有 3 種編程方法：

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

框圖如下：

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

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

函數如下：

3.3.3 查詢方式

本 節 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： 發送數據時要死等發送完畢，接收數據時容易丟失。

3.3.4 中斷方式

本 節 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： 需要是事先調用接收函數， 才能通過中斷接收數據， 易丟失。

3.3.5 DMA 方式

本 節 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”。
本節講的是傳統 DMA 方式，不涉及“idle 中斷”， 它會在后面講解。 缺點： 需要是事先調用接收函數， 才能通過中斷接收數據， 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：總線上在一個字節的時間內沒有再接收到數據。

UART 的 IDLE 中斷何時發生？ RxD 引腳一開始就是空閑的啊， 難道 IDLE 中斷一直產生？ 不是的。當我們使能 IDLE 中斷后，它并不會立刻產生，而是： 至少收到 1 個數據后， 發現 在一個字節的時間里，都沒有接收到新數據，才會產生 IDLE 中斷。

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

• 接收完指定數量的數據了， 比如收到了 100 字節的數據了，HAL_UART_RxCpltCallback 被調用
• 總線空閑了： HAL_UARTEx_RxEventCallback 被調用
• 發生了錯誤： HAL_UART_ErrorCallback 被調用

使用 IDLE 狀態來接收的函數有：

3.4.2 DMA 發送/DMA+IDLE 接收

要點有 3：

• 對于發送：使用“HAL_UART_Transmit_DMA”函數
• 對于接收：一開始就調用“HAL_UARTEx_ReceiveToIdle_DMA”啟動接收
• 在回調函數“HAL_UART_RxCpltCallback”或“HAL_UARTEx_RxEventCallback”里讀取、 存儲數據后，再次調用“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據：

• 使用 DMA+IDLE 中斷的方式接收數據，它會把數據存入臨時緩沖區；
• 在回調函數里：把臨時緩沖器的數據寫入隊列，然后再次使能 DMA
• AP 讀取隊列： 如果隊列里沒有數據則阻塞。

框架如下：

3.5.2 編寫程序

本 節 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 面向對象封裝 UART

我們使用多個 UART：UART2、UART4，以初始化為例，有如下函數：

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

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

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

把 UART 的操作封裝為結構體， 可以解決這個問題。 UART 的操作主要有 3 個函數： 初始 化、發送數據、接收數據。那么可以抽象出如下結構體：

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);
};

本節為 UART2、UART4 分別構造一個“struct UART_Device”結構體，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 對象編程的優點。

本節代碼為： 本節程序源碼為“3_程序源碼?1_視頻配套的源碼3-9_面向對象封裝 UARTuart_rtos_all_ok.7z ”

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