【RTT-Studio】详细使用教程十二：UART的分析和使用

一、简介

  本文主要阐述STM32串口的几种工作中使用的工作模式和编程思路。串口通常情况下使用的是：1个起始位，8个数据位，无奇偶校验，1位停止位，每传输1个字节的数据相当于传输10bit，在波特率：9600的情况下，1字节需要1.04ms，如果传输波特率：115200传输1字节数据需要0.087ms。

1.串口发送模式

串口发送方式主要分为3种：轮询、中断、DMA发送。下面简述一下各个模式优缺点：

模式	优点	缺点
轮询	代码最简单	会导致代码阻塞，会被任何中断，在带os的系统中还容易被高优先级任务打断
中断	将发送优先级提高到该串口中断级别，不会被任务打断，只会被更高优先级中断打断	占用cpu和中断
DMA	不需要cpu参与数据发送，发送也不会被打断	代码复杂

（1）轮询发送
  轮询发送是将需要发送的数据写到串口的数据（DR）寄存器中，然后通过循环等待发送完成TC标致位置位判断数据是否发送结束。一般串口在115200波特率下发送1字节数据时间大概0.087ms，在没有os的情况下，程序需要阻塞89ms，只会被中断打断。在有os的情况下还需要考虑到任务切换和高优先级任务的使用，串口发送的一包数据就会是断断续续的，时间更长。

（2）中断发送
  中断发送是对轮询发送的一种改进，其目的是连续发送一包数据，不被低优先级中断和任务打断。其思路是开启串口发送中断，在应用层调用驱动层发送函数时，将中断发送标志位置1/或直接发送第一字节，触发串口中断，在中断中发送剩余数据。期间每次传输完成时进一次中断，其余时间cpu可以运行别的任务，而且减少了查询发送完成标志位的时间。对于没有os的系统来说做到了时间片处理非阻塞发送。

（3）DMA发送
  该模式需要根据手册提前配置DMA通道模式等信息，通过HAL库提供的发送函数，DMA会自动将内存中的参数搬运到串口外设中，CPU执行完发送命令就可以执行别的任务了。在dma发送结束时会产生DMA中断告诉用户数据是否发送结束。

2.串口接收模式

串口接收也有轮询模式，主要是中断和DMA的方式。下面简述一下各个模式优缺点：

模式	优点	缺点
中断	代码简单	需要多次进入中断
DMA	不需要cpu参与每字节接收，仅产生少量的中断	需要配合空闲中断处理

（1）中断接收
  中断接收是一种常见的接收方式，适合波特率较低（9600）或任务不复杂的情况下使用。9600传输数据时，使用串口中断接收数据大约1.04ms进一次中断，在要求不高的情况下使用中断接收也能满足设计要求，尤其对裸机基于时间片的代码框架来说影响不大，代码也简洁。但是随着波特率的提高此方法则不太适用，当波特率很高（115200以上），若使用串口中断接收意味着每87us会进入一次中断，那么对主程序的时间片影响将会很大，故推荐使用DMA。

（2）DMA接收+空闲中断接收
  需要提前配置DMA通道，DMA模式，使用DMA搬运数据，串口空闲中断判断驱动层的帧结束。当空闲中断产生时将DMA映射的数据拷贝到应用层的接收缓存区。与中断接收区别是不用每个字节进入一次中断，拷贝数据也是将一帧数据拷贝到缓存区。发送1K数据则会在89ms内进1000次中断，若再提高波特率，对裸机时间片的系统来说影响就很大了。

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二、串口配置

  UART（Universal Asynchronous Receiver/Transmitter）通用异步收发传输器，UART 作为异步串口通信协议的一种，工作原理是将传输数据的每个字符一位接一位地传输，是在应用程序开发过程中使用频率最高的数据总线。

RT-Thread串口配置步骤：

（1）通过串口名字找到串口句柄

#define SAMPLE_UART_NAME       "uart2"static rt_device_t serial;
serial = rt_device_find(SAMPLE_UART_NAME);

（2）配置串口参数
使用rt_device_control()函数修改串口配置参数

/* 初始化配置参数 */
struct serial_configure uart2_config = RT_SERIAL_CONFIG_DEFAULT;  /* step2：修改串口配置参数 */
uart2_config.baud_rate = BAUD_RATE_115200;      //修改波特率为 9600
uart2_config.data_bits = DATA_BITS_8;           //数据位 8
uart2_config.stop_bits = STOP_BITS_1;           //停止位 1
uart2_config.bufsz     = 128;                   //修改缓冲区 buff size 为 128
uart2_config.parity    = PARITY_NONE;           //无奇偶校验位rt_device_control(serial, RT_DEVICE_CTRL_CONFIG, &uart2_config);

（3）设置串口接收回调函数
当发生中断（接收中断或者空闲中断）时，会调用注册的回调函数。用户可以在回调函数中写一些无阻塞的功能。虽然回调函数是在中断中执行，所以不能有阻塞和延时。

/* 接收数据回调函数 */
static rt_err_t uart_input(rt_device_t dev, rt_size_t size)
{/* 串口接收到数据后产生中断，调用此回调函数，然后发送接收信号量 */rt_sem_release(&rx_sem);cnt++;return RT_EOK;
}/* 设置接收回调函数 */
rt_device_set_rx_indicate(serial, uart_input);

（4）打开串口设备
打开设备时可以对串口的模式进行配置，rt-thread提供三种模式：中断模式、轮询模式、DMA 模式。发送和接收只能从中选一个，发送和接收可以配置的不一致。默认使用中断接收和轮询发送。

/* 以中断接收及轮询发送模式打开串口设备 */
rt_err_t rt_device_open(rt_device_t dev, rt_uint16_t oflag)

oflag支持模式参数为下列几个：

#define RT_DEVICE_FLAG_INT_RX           0x100           /**< INT mode on Rx 中断接收 */
#define RT_DEVICE_FLAG_DMA_RX           0x200           /**< DMA mode on Rx DMA接收 */
#define RT_DEVICE_FLAG_INT_TX           0x400           /**< INT mode on Tx 中断发送 */
#define RT_DEVICE_FLAG_DMA_TX           0x800           /**< DMA mode on Tx DMA接收 */

rt_device_open函数中初始化DMA模式会进行参数检查，需要确认使用串口DMA宏被定义。如：BSP_UART2_RX_USING_DMA，否则会rt_serial_open()返回错误。当对应串口DMA宏在rtconfig.h中被定义后，通过宏定义设置到对应串口对象的uart_dma_flag参数中，在串口初始化阶段通过rt_hw_usart_init()中的rt_hw_serial_register()函数会把对应uart_dma_flag设置到串口dev->flag中，后续串口open时只是检查一下参数。

完整的串口配置例程代码如下：

/** 程序清单：这是一个 串口 设备使用例程* 例程导出了 uart_sample 命令到控制终端* 命令调用格式：uart_sample uart2* 命令解释：命令第二个参数是要使用的串口设备名称，为空则使用默认的串口设备* 程序功能：通过串口输出字符串"hello RT-Thread!"，然后错位输出输入的字符
*/
#include <rtthread.h>
#include "module_uart.h"
#include "drv_usart.h"#define SAMPLE_UART_NAME       "uart2"/* 初始化配置参数 */
struct serial_configure uart2_config = RT_SERIAL_CONFIG_DEFAULT; /* 用于接收消息的信号量 */
static struct rt_semaphore rx_sem;
static rt_device_t serial;
uint16_t cnt = 0;/* 接收数据回调函数 */
static rt_err_t uart_input(rt_device_t dev, rt_size_t size)
{/* 串口接收到数据后产生中断，调用此回调函数，然后发送接收信号量 */rt_sem_release(&rx_sem);cnt++;return RT_EOK;
}static void serial_thread_entry(void *parameter)
{char ch;while (1){/* 从串口读取一个字节的数据，没有读取到则等待接收信号量 */while (rt_device_read(serial, -1, &ch, 1) != 1){/* 阻塞等待接收信号量，等到信号量后再次读取数据 */rt_sem_take(&rx_sem, RT_WAITING_FOREVER);}/* 读取到的数据通过串口输出 */rt_device_write(serial, 0, &ch, 1);}
}int uart2_init(void)
{rt_err_t ret;/* 查找系统中的串口设备 */serial = rt_device_find(SAMPLE_UART_NAME);if (!serial){rt_kprintf("find %s failed!\n", SAMPLE_UART_NAME);return RT_ERROR;}/* step2：修改串口配置参数 */uart2_config.baud_rate = BAUD_RATE_115200;        //修改波特率为 9600uart2_config.data_bits = DATA_BITS_8;           //数据位 8uart2_config.stop_bits = STOP_BITS_1;           //停止位 1uart2_config.bufsz     = 128;                   //修改缓冲区 buff size 为 128uart2_config.parity    = PARITY_NONE;           //无奇偶校验位rt_device_control(serial, RT_DEVICE_CTRL_CONFIG, &uart2_config);/* 初始化信号量 */rt_sem_init(&rx_sem, "rx_sem", 0, RT_IPC_FLAG_FIFO);/* 以中断接收及轮询发送模式打开串口设备 */rt_device_open(serial, RT_DEVICE_FLAG_INT_RX);/* 设置接收回调函数 */rt_device_set_rx_indicate(serial, uart_input);/* 创建 serial 线程 */rt_thread_t thread = rt_thread_create("serial", serial_thread_entry, RT_NULL, 1024, 25, 10);/* 创建成功则启动线程 */if (thread != RT_NULL){rt_thread_startup(thread);}else{ret = RT_ERROR;}return ret;
}
/* 导出到 msh 命令列表中 */
MSH_CMD_EXPORT(uart_sample, uart device sample);

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三、串口发送

  串口的三种发送：轮询、中断、DMA发送。下面是发送程序对应用层的接口：

rt_size_t rt_device_write(rt_device_t dev,rt_off_t    pos,const void *buffer,rt_size_t   size)

里面本质上会调用rt_serial_write()函数往串口设备写数据，里面又细分了三个函数：_serial_int_tx()（中断发送） _serial_dma_tx()（dma发送）_serial_poll_tx()轮询发送。

1.轮询发送
轮询发送是最简单的发送模式，rt-thread提供的是阻塞的发送函数。程序会将需要发送的数据一字节一字节的写到串口的DR寄存器，然后查询发送完成标志，直到数据完全发送结束。优点：程序简单易懂，缺点：浪费cpu资源，容易被高优先级任务打断，一帧数据发送断断续续的。
_serial_poll_tx()的具体实现：每次发送1字节数据循环length长度

rt_inline int _serial_poll_tx(struct rt_serial_device *serial, const rt_uint8_t *data, int length)
{int size;RT_ASSERT(serial != RT_NULL);size = length;while (length){serial->ops->putc(serial, *data);++ data;-- length;}return size - length;
}

putc函数的实现：根据单片机型号将数据写入DR或者TDR寄存器中，然后等待发送完成标志。按照这种方式，代码需要在这阻塞到一帧数据完全发送结束才会执行后面的代码。再此期间代码会被高优先级任务和中断打断。

static int stm32_putc(struct rt_serial_device *serial, char c)
{struct stm32_uart *uart;RT_ASSERT(serial != RT_NULL);uart = rt_container_of(serial, struct stm32_uart, serial);UART_INSTANCE_CLEAR_FUNCTION(&(uart->handle), UART_FLAG_TC);
#if defined(SOC_SERIES_STM32L4) || defined(SOC_SERIES_STM32WL) || defined(SOC_SERIES_STM32F7) || defined(SOC_SERIES_STM32F0) \|| defined(SOC_SERIES_STM32L0) || defined(SOC_SERIES_STM32G0) || defined(SOC_SERIES_STM32H7) || defined(SOC_SERIES_STM32L5)\|| defined(SOC_SERIES_STM32G4) || defined(SOC_SERIES_STM32MP1) || defined(SOC_SERIES_STM32WB) ||defined(SOC_SERIES_STM32F3)\|| defined(SOC_SERIES_STM32U5)uart->handle.Instance->TDR = c;
#elseif(uart->config->is485){HAL_GPIO_WritePin(uart->config->de_port,uart->config->de_pin, GPIO_PIN_RESET);}uart->handle.Instance->DR = c;
#endifwhile (__HAL_UART_GET_FLAG(&(uart->handle), UART_FLAG_TC) == RESET);if(uart->config->is485){HAL_GPIO_WritePin(uart->config->de_port,uart->config->de_pin, GPIO_PIN_SET);}return 1;
}

2.中断发送
与轮询发送区别是多了一个等待完成信号量的内容。bug是里面字符发送函数与轮询发送函数一样，永远返回1，所以等待完成函数不会被触发。

rt_inline int _serial_int_tx(struct rt_serial_device *serial, const rt_uint8_t *data, int length)
{int size;struct rt_serial_tx_fifo *tx;RT_ASSERT(serial != RT_NULL);size = length;tx = (struct rt_serial_tx_fifo*) serial->serial_tx;RT_ASSERT(tx != RT_NULL);while (length){if (serial->ops->putc(serial, *(char*)data) == -1){rt_completion_wait(&(tx->completion), RT_WAITING_FOREVER);continue;}data ++; length --;}return size - length;
}

3.DMA发送
rt_data_queue_push（）：将数据放入dma数据队列中，这里需要特别注意一下直接是应用层写的数据，没有发送缓存区，若是局部变量，在dma发送是可能已经释放掉，无法发送正确数据。其次在发送过程中修改应用层数据，dma会直接发送修改后的数据，这点也需要特别注意。
serial->ops->dma_transmit(serial, (rt_uint8_t *)data, length, RT_SERIAL_DMA_TX)：在函数指针背后调用的是对hal库分装一层的dma传输函数。
HAL_UART_Transmit_DMA()：是个无阻塞函数，也就是执行完这一行时，数据开始发送，但是不会等到数据完全发送结束。

rt_inline int _serial_dma_tx(struct rt_serial_device *serial, const rt_uint8_t *data, int length)
{rt_base_t level;rt_err_t result;struct rt_serial_tx_dma *tx_dma;tx_dma = (struct rt_serial_tx_dma*)(serial->serial_tx);result = rt_data_queue_push(&(tx_dma->data_queue), data, length, RT_WAITING_FOREVER);if (result == RT_EOK){level = rt_hw_interrupt_disable();if (tx_dma->activated != RT_TRUE){tx_dma->activated = RT_TRUE;rt_hw_interrupt_enable(level);/* make a DMA transfer */serial->ops->dma_transmit(serial, (rt_uint8_t *)data, length, RT_SERIAL_DMA_TX);}else{rt_hw_interrupt_enable(level);}return length;}else{rt_set_errno(result);return 0;}
}static rt_size_t stm32_dma_transmit(struct rt_serial_device *serial, rt_uint8_t *buf, rt_size_t size, int direction)
{if (RT_SERIAL_DMA_TX == direction){if (HAL_UART_Transmit_DMA(&uart->handle, buf, size) == HAL_OK){return size;}else{return 0;}}return 0;
}void HAL_DMA_IRQHandler(DMA_HandleTypeDef *hdma)
{/* Transfer Complete Interrupt management ***********************************/else if (((flag_it & (DMA_FLAG_TC1 << hdma->ChannelIndex)) != RESET) && ((source_it & DMA_IT_TC) != RESET)){if((hdma->Instance->CCR & DMA_CCR_CIRC) == 0U){/* Disable the transfer complete and error interrupt */__HAL_DMA_DISABLE_IT(hdma, DMA_IT_TE | DMA_IT_TC);  /* Change the DMA state */hdma->State = HAL_DMA_STATE_READY;}/* Clear the transfer complete flag */__HAL_DMA_CLEAR_FLAG(hdma, __HAL_DMA_GET_TC_FLAG_INDEX(hdma));/* Process Unlocked */__HAL_UNLOCK(hdma);if(hdma->XferCpltCallback != NULL){/* Transfer complete callback */hdma->XferCpltCallback(hdma);}}
}

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四、串口接收

  串口接收常见的分中断接收和DMA接收。在RTT串口配置中设置了一个ringbuf，其作用是用来接收数据的。无论使用中断接收还是DMA接收数据都会存入ringbuf中。

1.中断接收
在RTT中，中断接收的流程如下：

中断接收无论如何都会触发单片机中断向量表中的中断函数，只需要去查找中断函数中具体实现即可。如果是接收中断则进入rt_hw_serial_isr函数否则则去清除一些错误标志位。

void USART2_IRQHandler(void)
{/* enter interrupt */rt_interrupt_enter();uart_isr(&(uart_obj[UART2_INDEX].serial));/* leave interrupt */rt_interrupt_leave();
}static void uart_isr(struct rt_serial_device *serial)
{.../* UART in mode Receiver -------------------------------------------------*/if ((__HAL_UART_GET_FLAG(&(uart->handle), UART_FLAG_RXNE) != RESET) &&(__HAL_UART_GET_IT_SOURCE(&(uart->handle), UART_IT_RXNE) != RESET)){rt_hw_serial_isr(serial, RT_SERIAL_EVENT_RX_IND);}
...else{if (__HAL_UART_GET_FLAG(&(uart->handle), UART_FLAG_ORE) != RESET){__HAL_UART_CLEAR_OREFLAG(&uart->handle);}if (__HAL_UART_GET_FLAG(&(uart->handle), UART_FLAG_NE) != RESET){__HAL_UART_CLEAR_NEFLAG(&uart->handle);}if (__HAL_UART_GET_FLAG(&(uart->handle), UART_FLAG_FE) != RESET){__HAL_UART_CLEAR_FEFLAG(&uart->handle);}if (__HAL_UART_GET_FLAG(&(uart->handle), UART_FLAG_PE) != RESET){__HAL_UART_CLEAR_PEFLAG(&uart->handle);}}
}

rt_hw_serial_isr()可以分成两部分读取数据和回调函数调用部分。读取数据部分是负责把串口接收数据读取到ringbuf中。

while (1)
{ch = serial->ops->getc(serial);if (ch == -1) break;/* disable interrupt */level = rt_hw_interrupt_disable();rx_fifo->buffer[rx_fifo->put_index] = ch;rx_fifo->put_index += 1;if (rx_fifo->put_index >= serial->config.bufsz) rx_fifo->put_index = 0;/* if the next position is read index, discard this 'read char' */if (rx_fifo->put_index == rx_fifo->get_index){rx_fifo->get_index += 1;rx_fifo->is_full = RT_TRUE;if (rx_fifo->get_index >= serial->config.bufsz) rx_fifo->get_index = 0;_serial_check_buffer_size();}/* enable interrupt */rt_hw_interrupt_enable(level);
}

上述使用serial->ops->getc(serial)函数，看这个名字就能猜到是获取串口接收的一个字节数据。对于STM32来说就是将串口的DR寄存器通过这个函数返回。将DR寄存器中的值存入ringbuf，还对ringbuf满的情况做了一下异常处理，ringbuf is_full标志位会置一，数据会覆盖最早的数据导致数据丢失，所以需要保证应用层及时从ringbuf中取出数据。

static int stm32_getc(struct rt_serial_device *serial)
{int ch;struct stm32_uart *uart;RT_ASSERT(serial != RT_NULL);uart = rt_container_of(serial, struct stm32_uart, serial);ch = -1;if (__HAL_UART_GET_FLAG(&(uart->handle), UART_FLAG_RXNE) != RESET){...ch = uart->handle.Instance->DR & stm32_uart_get_mask(uart->handle.Init.WordLength, uart->handle.Init.Parity);...}return ch;
}

再看看回调函数部分，若回调函数不为空，且这次就收到数据则调用一次接收回调函数。通常回调函数中释放一个信号量通知应用层程序从ringbuf中读取数据。其实这也看出了中断方式的一个缺陷，每接收一字节放一次ringbuf，调用一次回调函数，应用层也只能一字节一字节接收。为了减CPU的使用率还提供了DMA的方式。

/* 调用回调函数部分 */
/* invoke callback */
if (serial->parent.rx_indicate != RT_NULL)
{rt_size_t rx_length;/* get rx length */level = rt_hw_interrupt_disable();rx_length = (rx_fifo->put_index >= rx_fifo->get_index)? (rx_fifo->put_index - rx_fifo->get_index):(serial->config.bufsz - (rx_fifo->get_index - rx_fifo->put_index));rt_hw_interrupt_enable(level);if (rx_length){serial->parent.rx_indicate(&serial->parent, rx_length);}
}
break;

2.DMA接收

这里触发串口中断的判断变了，变成了DMA半满、满中断和空闲中断触发串口中断，三者是或的关系。接收中断中如果开启DMA则会执行以下代码：

  else if ((uart->uart_dma_flag) && (__HAL_UART_GET_FLAG(&(uart->handle), UART_FLAG_IDLE) != RESET)&& (__HAL_UART_GET_IT_SOURCE(&(uart->handle), UART_IT_IDLE) != RESET)){level = rt_hw_interrupt_disable();recv_total_index = serial->config.bufsz - __HAL_DMA_GET_COUNTER(&(uart->dma_rx.handle));recv_len = recv_total_index - uart->dma_rx.last_index;uart->dma_rx.last_index = recv_total_index;rt_hw_interrupt_enable(level);if (recv_len){rt_hw_serial_isr(serial, RT_SERIAL_EVENT_RX_DMADONE | (recv_len << 8));}__HAL_UART_CLEAR_IDLEFLAG(&uart->handle);}else if (__HAL_UART_GET_FLAG(&(uart->handle), UART_FLAG_TC) &&(__HAL_UART_GET_IT_SOURCE(&(uart->handle), UART_IT_TC) != RESET)){if ((serial->parent.open_flag & RT_DEVICE_FLAG_DMA_TX) != 0){HAL_UART_IRQHandler(&(uart->handle));}UART_INSTANCE_CLEAR_FUNCTION(&(uart->handle), UART_FLAG_TC);}

DMA在处理的过程中也是调用rt_hw_serial_isr与中断一致，接收长度需要根据DMA接收长度增加个小计算得出。后续处理与中断接收也基本一致，将数据更新进ringbuf再调用回调函数。最大的区别是DMA一次会接收一帧或者半帧数据才进一次中断。回调函数处理也会有所不一样，官方例程也不在释放信号量了，通过消息队列传出串口接收数据大小，交给应用层处理。

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