第3章_UART 开发基础

嵌入式Linux那些事 2024-06-29 636

描述

第3章 UART 开发基础

3.1 同步传输与异步传输

3.1.1 概念与示例

使用生活例子来说明什么是同步、异步：

同步：朋友打电话说到我家吃饭，我在家里等他们
异步：朋友没有提前打招呼，突然就到我家来了

它们的差别在于：有没有使用一种方法“实现约好时间”。

在电子产品中，使用同步传输时，一般涉及两个信号：

时钟信号：用来通知对方要读取数据了
数据信号：用来传输数据

同步传输示例如下：

时钟信号：打电话，起约定作用
数据信号：传输数据

时钟信号

异步传输示例如下：

时钟信号

使用异步信号传输数据时，双方遵守相同的约定：

起始信号：发送方可以通知接收方"注意了，我要开始传输数据了"
数据的表示：怎么表示逻辑 1，怎么表示逻辑 0。

以红外遥控器解码器为例，它向单片机发出的数据格式如下：

起始信号：解码器发出一个 9ms 的低电平、 4.5ms 的高电平，用来同时对方说"开始了"

时钟信号

表示一位数据
- 逻辑 1：0.56ms 的低电平+1.69ms 的高电平
- 逻辑 0：0.56ms 的低电平+0.56ms 的高电平

时钟信号

接收方、发送方都遵守这样的约定，就可以使用一条线传输数据

3.1.2 差别

	同步传输	异步传输
信号线	多：时钟信号、数据信号	少：只需要数据信号
速率	可变，提高时钟信号频率即可	双方提前约定
抗干扰能力	强	弱

3.2 UART 协议与操作方法

3.2.1 UART 协议

通用异步收发器简称 UART，即“Universal Asynchronous Receiver Transmitter”，它用来传输串行数据：发送数据时，CPU 将并行数据写入 UART，UART 按照一定的格式在一根电线上串行发出；接收数据时， UART 检测另一根电线上的信号，将串行数据收集放在缓冲区中，CPU 即可读取 UART 获得这些数据。 UART 之间以全双工方式传输数据，最精简的连线方法只有三根电线：TxD 用于发送数据， RxD 用于接收数据，GND 用于给双方提供参考电平，连线如图所示：

时钟信号

UART 使用标准的 TTL/CMOS 逻辑电平(0～5V、0～3.3V、0～2.5V 或 0～1.8V 四种)来表示数据，高电平表示 1，低电平表示 0。进行长距离传输时，为了增强数据的抗干扰能力、提高传输长度，通常将 TTL/CMOS 逻辑电平转换为 RS-232 逻辑电平， 3～12V 表示 0，-3～- 12V 表示 1。

TxD、RxD 数据线以“位”为最小单位传输数据。帧(frame)由具有完整意义的、不可分割的若干位组成，它包含开始位、数据位、较验位(需要的话)和停止位。发送数据之前，

UART 之间要约定好数据的传输速率(即每位所占据的时间，其倒数称为波特率)、数据的传

输格式(即有多少个数据位、是否使用较验位、是奇较验还是偶较验、有多少个停止位)。数据传输流程如下：

平时数据线处于“空闭”状态(1 状态)。
当要发送数据时，UART 改变 TxD 数据线的状态(变为 0 状态)并维持 1 位的时间──这样接收方检测到开始位后，再等待 1.5 位的时间就开始一位一位地检测数据线的状态得到所传输的数据。
UART 一帧中可以有 5、6、7 或 8 位的数据，发送方一位一位地改变数据线的状态将它们发送出去，首先发送最低位。
如果使用较验功能， UART 在发送完数据位后，还要发送 1 个较验位。有两种较验方法：奇较验、偶较验──数据位连同较验位中， “1”的数目等于奇数或偶数。
最后，发送停止位，数据线恢复到“空闭”状态(1 状态)。停止位的长度有 3 种： 1 位、 1.5 位、 2 位。

下图演示了 UART 使用 7 个数据位、偶较验、2 个停止位的格式传输字符“A ”(二进制值为 0b01000001)时， TTL/CMOS 逻辑电平、 RS-232 逻辑电平对应的波形。

时钟信号

双方约定了“传输一 bit 数据的时间”，就可以算出 1 秒内能传输多少 bit 数据，这被称为“比特率”，又经常被称为“波特率”。两者有什么关系？

假设发送方 A 能精确控制信号的电压，接收方 B 也能精确识别电压，双方如此约定：

电压范围	表示的两 bit 数据
0~0.7V	0b00
~0.8 1.5V	0b01
1.6~2.3V	0b10
~2.4 3.3V	0b11

那么要传输一个字节的数据，比如 0x78，它的二进制数为 0b01,11,10,00，只需要传输 4 次（假设 1ms 改变一次电压，假设先传输低位）：

第 1ms，A 设置电压为 0V，B 识别出电压后，认为收到了 bit1 为 0、bit0 为 0
第 2ms，A 设置电压为 1.6V，B 识别出电压后，认为收到了 bit3 为 1、bit2 为 0
第 3ms，A 设置电压为 2.4V，B 识别出电压后，认为收到了 bit5 为 1、bit4 为 1
第 4ms，A 设置电压为 0.8V，B 识别出电压后，认为收到了 bit7 为 0、bit6 为 1

只需要 4ms，就传输了 4 个状态，但是传输了 8bit 数据：波特率*2=比特率。

假设发送方 A 精确控制信号电压的能力比较差，只能保证 0~~0.7V、1.8~~3.3V 的电压比较稳定；接收方 B 识别电压的能力也不够精确，只能保证可以识别出 0~0.7V、1.8 3.3V 的电压，于是双方约定：

电压范围	表示的 1 bit 数据
0~0.7V	0
1.8~3.3V	1

那么要传输一个字节的数据，比如 0x78，它的二进制数为 0b01111000，需要传输 8 次（假设 1ms 改变一次电压，假设先传输低位）：

第 1ms，A 设置电压为 0V，B 识别出电压后，认为收到了 bit0 为 0
第 2ms，A 设置电压为 0V，B 识别出电压后，认为收到了 bit1 为 0
第 3ms，A 设置电压为 0V，B 识别出电压后，认为收到了 bit2 为 0
第 4ms，A 设置电压为 3.3V，B 识别出电压后，认为收到了 bit3 为 1
第 5ms，A 设置电压为 3.3V，B 识别出电压后，认为收到了 bit4 为 1
第 6ms，A 设置电压为 3.3V，B 识别出电压后，认为收到了 bit5 为 1
第 7ms，A 设置电压为 3.3V，B 识别出电压后，认为收到了 bit6 为 1
第 8ms，A 设置电压为 0V，B 识别出电压后，认为收到了 bit7 为 0

需要 8ms，传输 8 个状态，传输了 8bit 数据：波特率=比特率。

所以，波特率： 1 秒内传输信号的状态数（波形数）。比特率： 1 秒内传输数据的 bit 数。如果一个波形，能表示 N 个 bit，那么：波特率 * N = 比特率。

3.2.2 STM32H5 UART 硬件结构

时钟信号

3.2.3 RS485 协议

使用 RS485 协议传输数据时，电路图如下：

时钟信号

RS485 协议里，使用 A、B 差分信号线传输数据：两线间的电压差为+（2 至 6）V 表示逻辑 1，电压差为-（2 至 6）V 时表示逻辑 0。它是半双工的传输方式：MCU1 要发送数据时，从 TxD 引脚把数据发送给电平转换芯片 MAX13487EESA，它把 TxD 的信号转换为差分信号传递给另一个电平转换芯片 MAX13487EESA，进而转换为 TTL 电平通过 RO 发送到 MCU2 的 RxD 引脚。MCU2 要给 MCU1 发送数据的话，必须等待差分信号线处于空闲状态。

对于软件而言，使用 RS485 跟普通的 UART 没有区别。

3.3 UART 编程

3.3.1 硬件连接

按照下图连线：调试、供电、两个 485 互连。

时钟信号

3.3.2 三种编程方式

结合 UART 硬件结构，有 3 种编程方法：

查询方式：
- 要发送数据时，先把数据写入 TDR 寄存器，然后判断 TDR 为空再返回。当然也可以先判断 TDR 为空，再写入。
- 要读取数据时，先判断 RDR 非空，再读取 RDR 得到数据。
中断方式：
- 使用中断方式，效率更高，并且可以在接收数据时避免数据丢失。
- 要发送数据时，使能“TXE”中断（发送寄存器空中断）。在 TXE 中断处理函数里，从程序的发送 buffer 里取出一个数据，写入 TDR。等再次发生 TXE 中断时，再从程序的发送 buffer 里取出下一个数据写入 TDR。
- 对于接收数据，在一开始就使能“RXNE”中断（接收寄存器非空）。这样，UART 接收到一个数据就会触发中断，在中断程序里读取 RDR 得到数据，存入程序的接收 buffer。当程序向读取串口数据时，它直接读取接收 buffer 即可。
- 这里涉及的“发送 buffer”、“接收 buffer”，特别适合使用“环形 buffer ”。
DMA 方式：
- 使用中断方式时，在传输、接收数据时，会发生中断，还需要 CPU 执行中断处理函数。有另外一种方法：DMA（Direct Memory Access），它可以直接在 2 个设备之间传递数据，无需 CPU 参与。

框图如下：

时钟信号

设置好 DMA（源、目的、地址增减方向、每次读取数据的长度、读取次数）后，DMA 就会自动地在 SRAM 和 UART 之间传递数据：

发送时： DMA 从 SRAM 得到数据，写入 UART 的 TDR 寄存器
接收时： DMA 从 UART 的 RDR 寄存器得到数据，写到 SRAM 去
指定的数据传输完毕后，触发 DMA 中断；在数据传输过程中，没有中断， CPU 无需处理。

函数如下：

	查询方式	中断方式	DMA 方式
发送	HAL_UART_Transmit	HAL_UART_Transmit_ITHAL_UART_TxCpltCallback	HAL_UART_Transmit_DMAHAL_UART_TxHalfCpltCallback HAL_UART_TxCpltCallback
接收	HAL_UART_Receive	HAL_UART_Receive_ITHAL_UART_RxCpltCallback	HAL_UART_Receive_DMAHAL_UART_RxHalfCpltCallback HAL_UART_RxCpltCallback
错误		HAL_UART_ErrorCallback	HAL_UART_ErrorCallback

3.3.3 查询方式

本节程序源码为 “ 3_ 程序源码 �1_ 视频配套的源码 3-4_UART 编程 ( 查询方式)uart_poll.7z”。
缺点：发送数据时要死等发送完毕，接收数据时容易丢失。

3.3.4 中断方式

本节程序源码为 “ 3_ 程序源码 �1_ 视频配套的源码 3-5_UART 编程 ( 中断方式)uart_int.7z”。
缺点：需要是事先调用接收函数，才能通过中断接收数据，易丢失。

3.3.5 DMA 方式

本节程序源码为 “ 3_ 程序源码 �1_ 视频配套的源码 3-6_UART 编程 (DMA 方式)uart_dma.7z”。
本节讲的是传统 DMA 方式，不涉及“idle 中断”，它会在后面讲解。缺点：需要是事先调用接收函数，才能通过中断接收数据，易丢失。

3.4 效率最高的 UART 编程方法

3.4.1 IDLE 中断

IDLE，空闲的定义是：总线上在一个字节的时间内没有再接收到数据。

UART 的 IDLE 中断何时发生？ RxD 引脚一开始就是空闲的啊，难道 IDLE 中断一直产生？不是的。当我们使能 IDLE 中断后，它并不会立刻产生，而是：至少收到 1 个数据后，发现在一个字节的时间里，都没有接收到新数据，才会产生 IDLE 中断。

我们使用 DMA 接收数据时，确实可以提高 CPU 的效率，但是“无法预知要接收多少数据”，而我们想尽快处理接收到的数据。怎么办？比如我想读取 100 字节的数据，但是接收到 60 字节后对方就不再发送数据了，怎么办？我们怎么判断数据传输中止了？可以使用 IDLE 中断。在这种情况下，DMA 传输结束的条件有 3：

接收完指定数量的数据了，比如收到了 100 字节的数据了，HAL_UART_RxCpltCallback 被调用
总线空闲了： HAL_UARTEx_RxEventCallback 被调用
发生了错误： HAL_UART_ErrorCallback 被调用

使用 IDLE 状态来接收的函数有：

	函数	回调函数
查询方式	HAL_UARTEx_ReceiveToIdle	根据返回参数 RxLen 判断是否接收完毕，还是因为空闲而返回
中断方式	HAL_UARTEx_ReceiveToIdle_IT	完毕： HAL_UART_RxCpltCallback 因为空闲而中止：HAL_UARTEx_RxEventCallback
DMA 方式	HAL_UARTEx_ReceiveToIdle_DMA	传输一半：HAL_UART_RxHalfCpltCallback 完毕：HAL_UART_RxCpltCallback因为空闲而中止：HAL_UARTEx_RxEventCallback
错误		HAL_UART_ErrorCallback

3.4.2 DMA 发送/DMA+IDLE 接收

要点有 3：

对于发送：使用“HAL_UART_Transmit_DMA”函数
对于接收：一开始就调用“HAL_UARTEx_ReceiveToIdle_DMA”启动接收
在回调函数“HAL_UART_RxCpltCallback”或“HAL_UARTEx_RxEventCallback”里读取、存储数据后，再次调用“HAL_UARTEx_ReceiveToIdle_DMA”启动接收

3.5 在 RTOS 里使用 UART

3.5.1 程序框架

本程序的重点在于如何高效地接收数据：

使用 DMA+IDLE 中断的方式接收数据，它会把数据存入临时缓冲区；
在回调函数里：把临时缓冲器的数据写入队列，然后再次使能 DMA
AP 读取队列：如果队列里没有数据则阻塞。

框架如下：

时钟信号

3.5.2 编写程序

本节程序源码为 “ 3_ 程序源码 �1_ 视频配套的源码 3-8_ 在 RTOS 里使用 UARTuart_rtos.7z”。

3.5.3 面向对象封装 UART

我们使用多个 UART：UART2、UART4，以初始化为例，有如下函数：

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

对于使用者而言，非常不友好：当 UART 数量增多，他需要记住、使用多个函数名；当更换某个 UART，他需要修改多处代码。比如对于如下代码，当需要更换为 UART4 时，需要修改第 1、3 行代码为 UART4 的函数：

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

把 UART 的操作封装为结构体，可以解决这个问题。 UART 的操作主要有 3 个函数：初始化、发送数据、接收数据。那么可以抽象出如下结构体：

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);
};

本节为 UART2、UART4 分别构造一个“struct UART_Device”结构体，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};

使用时，示例代码如下：

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);

如果要更换串口，只需要修改第 1 行代码，让它指向 g_uart4_dev 即可：这就是面向对象编程的优点。

本节代码为：本节程序源码为“3_程序源码�1_视频配套的源码3-9_面向对象封装 UARTuart_rtos_all_ok.7z ”

先使用 STM32CubeMX 配置 UART2、UART4，把它们的发送、接收都使用 DMA。如下图配置：

时钟信号

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