基于 STM32F4 的串口通信驅(qū)動(dòng)實(shí)現(xiàn)詳解（環(huán)形緩沖區(qū)版）
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在嵌入式系統(tǒng)開發(fā)中，串口通信（UART）是最常用的基礎(chǔ)通信方式之一。為了解決串口數(shù)據(jù)讀寫的不連續(xù)性問題，通常會(huì)配合環(huán)形緩沖區(qū)使用，以實(shí)現(xiàn)高效、穩(wěn)定的數(shù)據(jù)收發(fā)緩存管理。
本文介紹一個(gè)基于 STM32F4 系列 MCU 編寫的串口通信驅(qū)動(dòng)，采用中斷方式配合發(fā)送/接收緩沖區(qū)，并封裝為控制臺接口，便于在系統(tǒng)中調(diào)用。
一、串口緩沖區(qū)定義與初始化
串口收發(fā)數(shù)據(jù)通常不直接讀寫寄存器，而是通過緩沖機(jī)制管理數(shù)據(jù)流。本例中使用了兩個(gè)環(huán)形緩沖區(qū) rxbuf 和 txbuf，分別用于接收和發(fā)送：
static unsigned char rxbuf[TTY_RXBUF_SIZE]; // 接收緩沖區(qū)static unsigned char txbuf[TTY_TXBUF_SIZE]; // 發(fā)送緩沖區(qū)static ring_buf_t rbsend, rbrecv; // 緩沖區(qū)控制結(jié)構(gòu)體
并在串口初始化時(shí)調(diào)用 ring_buf_init() 對緩沖區(qū)進(jìn)行初始化。
二、串口初始化函數(shù) uart_init
static void uart_init(int baudrate)
該函數(shù)用于初始化 USART1，并完成如下步驟：
初始化收發(fā)緩沖區(qū)控制結(jié)構(gòu)體。
打開 GPIOA 和 USART1 時(shí)鐘。
配置 USART1 的引腳復(fù)用功能（PA9 → TX，PA10 → RX）。
配置 GPIO 模式（復(fù)用模式，無上下拉）。
配置串口參數(shù)（波特率等）。
配置 NVIC 中斷優(yōu)先級并使能 USART1 中斷。
通過將底層串口配置封裝在 uart_init() 中，使得后續(xù)調(diào)用更加簡潔。
三、串口寫函數(shù) uart_write
static unsigned int uart_write(const void *buf, unsigned int len)
此函數(shù)負(fù)責(zé)將要發(fā)送的數(shù)據(jù)寫入發(fā)送緩沖區(qū)，并開啟發(fā)送中斷：
通過 ring_buf_put() 將數(shù)據(jù)寫入 rbsend。
開啟 USART_IT_TXE 發(fā)送中斷。
返回實(shí)際寫入字節(jié)數(shù)。
由于發(fā)送在中斷中進(jìn)行，所以只需觸發(fā)中斷即可自動(dòng)依次發(fā)送緩沖區(qū)數(shù)據(jù)。
四、串口讀函數(shù) uart_read
static unsigned int uart_read(void *buf, unsigned int len)
用于從接收緩沖區(qū)讀取數(shù)據(jù)：
通過 ring_buf_get() 從 rbrecv 中取出數(shù)據(jù)放入 buf。
返回實(shí)際讀取長度。
適用于非阻塞方式的讀取調(diào)用。
五、緩沖區(qū)狀態(tài)查詢函數(shù)
代碼中定義了以下緩沖區(qū)狀態(tài)查詢接口：
static bool tx_isfull(void); // 判斷發(fā)送緩沖區(qū)是否滿bool tx_isempty(void); // 判斷發(fā)送緩沖區(qū)是否為空bool rx_isempty(void); // 判斷接收緩沖區(qū)是否為空
這些函數(shù)用于上層邏輯判斷是否可以繼續(xù)發(fā)送、是否有接收數(shù)據(jù)等，提升串口使用靈活性。
六、TTY 接口結(jié)構(gòu)體封裝
串口驅(qū)動(dòng)最終以一個(gè)結(jié)構(gòu)體 tty_t 形式暴露接口：
const tty_t tty = {
uart_init,
uart_write,
uart_read,
tx_isfull,
tx_isempty,
rx_isempty
};
這種方式便于統(tǒng)一管理串口控制接口，適合在大型項(xiàng)目中引入“控制臺抽象層”統(tǒng)一管理多個(gè)串口。
七、串口中斷處理函數(shù) USART1_IRQHandler
這是串口驅(qū)動(dòng)的核心部分，負(fù)責(zé)響應(yīng) USART1 的收發(fā)中斷：
void USART1_IRQHandler(void)
主要包含以下處理邏輯：
接收中斷 RXNE：
從接收寄存器讀取數(shù)據(jù)。
存入接收緩沖區(qū) rbrecv。
發(fā)送中斷 TXE：
從發(fā)送緩沖區(qū) rbsend 中取出下一個(gè)字節(jié)發(fā)送。
若無數(shù)據(jù)可發(fā)，關(guān)閉發(fā)送中斷。
溢出錯(cuò)誤中斷 ORE_RX：
讀取一次數(shù)據(jù)清除溢出標(biāo)志位。
通過中斷方式處理串口收發(fā)，不僅避免了阻塞操作，還能在高速數(shù)據(jù)傳輸中保持系統(tǒng)響應(yīng)性。
八、總結(jié)
本驅(qū)動(dòng)模塊實(shí)現(xiàn)了一個(gè)完整的串口通信功能，具備如下特點(diǎn)：
支持發(fā)送與接收雙緩沖。
使用中斷驅(qū)動(dòng)方式收發(fā)數(shù)據(jù)。
提供狀態(tài)判斷接口，便于上層調(diào)用。
封裝為 tty_t 控制臺結(jié)構(gòu)，支持模塊化應(yīng)用。
其設(shè)計(jì)適用于嵌入式系統(tǒng)中多個(gè)串口同時(shí)工作的場景，也適合作為 CLI 控制臺、調(diào)試口或上位機(jī)通信口的底層驅(qū)動(dòng)支撐。結(jié)合環(huán)形緩沖區(qū)，可有效避免數(shù)據(jù)丟失或阻塞，是一種常用、穩(wěn)定的串口通信實(shí)現(xiàn)方式。
開源代碼：
#include "stm32f4xx.h"#include "ringbuffer.h"#include "tty.h"#include "public.h" #include <string.h>#if (TTY_RXBUF_SIZE & (TTY_RXBUF_SIZE - 1)) != 0
#error "TTY_RXBUF_SIZE must be power of 2!"#endif#if (TTY_TXBUF_SIZE & (TTY_TXBUF_SIZE - 1)) != 0
#error "TTY_RXBUF_SIZE must be power of 2!"#endifstatic unsigned char rxbuf[TTY_RXBUF_SIZE]; /*接收緩沖區(qū) */static unsigned char txbuf[TTY_TXBUF_SIZE]; /*發(fā)送緩沖區(qū) */static ring_buf_t rbsend, rbrecv; /*收發(fā)緩沖區(qū)管理*//*
* @brief 串口初始化
* @param[in] baudrate - 波特率
* @return none
*/static void uart_init(int baudrate){
ring_buf_init(&rbsend, txbuf, sizeof(txbuf));/*初始化環(huán)形緩沖區(qū) */
ring_buf_init(&rbrecv, rxbuf, sizeof(rxbuf));
RCC_AHB1PeriphClockCmd(RCC_AHB1Periph_GPIOA , ENABLE);
GPIO_PinAFConfig(GPIOA, GPIO_PinSource9, GPIO_AF_USART1);
GPIO_PinAFConfig(GPIOA, GPIO_PinSource10, GPIO_AF_USART1);
gpio_conf(GPIOA, GPIO_Mode_AF, GPIO_PuPd_NOPULL,
GPIO_Pin_9 | GPIO_Pin_10);
RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_USART1, ENABLE);
uart_conf(USART1, baudrate); /*串口配置*/
nvic_conf(USART1_IRQn, 1, 1);
}/*
* @brief 向串口發(fā)送緩沖區(qū)內(nèi)寫入數(shù)據(jù)并啟動(dòng)發(fā)送
* @param[in] buf - 數(shù)據(jù)緩存
* @param[in] len - 數(shù)據(jù)長度
* @return 實(shí)際寫入長度(如果此時(shí)緩沖區(qū)滿,則返回len)
*/static unsigned int uart_write(const void *buf, unsigned int len){
unsigned int ret;
ret = ring_buf_put(&rbsend, (unsigned char *)buf, len);
USART_ITConfig(USART1, USART_IT_TXE, ENABLE); return ret;
}/*
* @brief 讀取串口接收緩沖區(qū)的數(shù)據(jù)
* @param[in] buf - 數(shù)據(jù)緩存
* @param[in] len - 數(shù)據(jù)長度
* @return (實(shí)際讀取長度)如果接收緩沖區(qū)的有效數(shù)據(jù)大于len則返回len否則返回緩沖
* 區(qū)有效數(shù)據(jù)的長度
*/static unsigned int uart_read(void *buf, unsigned int len){ return ring_buf_get(&rbrecv, (unsigned char *)buf, len);
}/*發(fā)送緩沖區(qū)滿*/static bool tx_isfull(void){ return ring_buf_len(&rbsend) == TTY_TXBUF_SIZE;
}/*發(fā)送緩沖區(qū)空*/bool tx_isempty(void){ return ring_buf_len(&rbsend) == 0;
}/*接收緩沖區(qū)空*/bool rx_isempty(void){ return ring_buf_len(&rbrecv) == 0;
}/*控制臺接口定義 -------------------------------------------------------------*/const tty_t tty = {
uart_init,
uart_write,
uart_read,
tx_isfull,
tx_isempty,
rx_isempty
};/*
* @brief 串口1收發(fā)中斷
* @param[in] none
* @return none
*/void USART1_IRQHandler(void){
unsigned char data; if (USART_GetITStatus(USART1, USART_IT_RXNE) != RESET) {
data = USART_ReceiveData(USART1);
ring_buf_put(&rbrecv, &data, 1); /*將數(shù)據(jù)放入接收緩沖區(qū)*/
} if (USART_GetITStatus(USART1, USART_IT_TXE) != RESET) { if (ring_buf_get(&rbsend, &data, 1)) /*從緩沖區(qū)中取出數(shù)據(jù)---*/
USART_SendData(USART1, data);
else{
USART_ITConfig(USART1, USART_IT_TXE, DISABLE);
}
} if (USART_GetITStatus(USART1, USART_IT_ORE_RX) != RESET) {
data = USART_ReceiveData(USART1);
}
}
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