📚 课程目录第4章 UART驱动开发

4. UART驱动开发：从协议到三种收发模式

UART，说白了就是串口通信。做嵌入式开发的人，没有不跟它打交道的。我刚开始做驱动时，觉得UART太简单了——不就是发数据收数据吗？后来踩的坑多了才明白，轮询、中断、DMA这三种模式，用不好就是给自己挖坑。

这一章，咱们把UART驱动从协议到HAL层实现，掰开揉碎了讲清楚。

4.1 UART通信协议基础

UART是异步串行通信，没有时钟线。收发双方靠约定的波特率来同步。我见过不少新手，上来就调不通，最后发现是波特率算错了。

参数	说明	常见值
波特率	每秒传输的符号数	9600, 115200, 921600
数据位	一帧中的数据位数	7, 8
停止位	帧结束标志位	1, 1.5, 2
校验位	奇偶校验或无校验	None, Even, Odd

一帧UART数据长这样：起始位(0) + 数据位(LSB先发) + 校验位(可选) + 停止位(1)。

我的习惯：调试阶段一律用115200-8-N-1。这个组合最通用，大部分串口工具默认就是这个。等产品定型了再根据需求调整。

4.2 HAL UART接口设计

HAL层要做什么？把底层寄存器操作封装成统一的API。我设计HAL接口时，遵循一个原则：上层调用者不需要知道底层是哪个MCU。

先看结构体定义：

typedef struct {
    uint32_t baudrate;
    uint8_t  data_bits;    // 7 or 8
    uint8_t  stop_bits;    // 1 or 2
    uint8_t  parity;       // 0:None, 1:Odd, 2:Even
    uint8_t  mode;         // 0:Polling, 1:Interrupt, 2:DMA
} UART_Config_t;

typedef struct {
    UART_Config_t config;
    uint8_t*      rx_buffer;
    uint32_t      rx_buffer_size;
    volatile uint32_t rx_index;
    void (*tx_callback)(void* arg);
    void (*rx_callback)(uint8_t data, void* arg);
    void*         callback_arg;
} UART_Handle_t;

接口函数就五个：

HAL_UART_Init(UART_Handle_t* huart) — 初始化串口
HAL_UART_DeInit(UART_Handle_t* huart) — 反初始化
HAL_UART_Transmit(UART_Handle_t* huart, uint8_t* data, uint32_t len) — 发送
HAL_UART_Receive(UART_Handle_t* huart, uint8_t* data, uint32_t len) — 接收
HAL_UART_IRQHandler(UART_Handle_t* huart) — 中断处理入口

设计要点：回调函数用void*参数传递上下文，这样同一个回调可以服务多个串口实例。我在项目里用这个模式，一个中断处理函数处理了6路UART，代码复用率很高。

4.3 轮询模式收发实现

轮询模式最简单，也最占CPU。适合调试阶段或者低速率通信。

发送实现：

HAL_Status_t HAL_UART_Transmit_Polling(UART_Handle_t* huart, 
                                        uint8_t* data, uint32_t len) {
    for(uint32_t i = 0; i < len; i++) {
        // 等待发送缓冲区空
        while(!(huart->regs->SR & USART_SR_TXE));
        huart->regs->DR = data[i];
    }
    // 等待发送完成
    while(!(huart->regs->SR & USART_SR_TC));
    return HAL_OK;
}

接收实现：

HAL_Status_t HAL_UART_Receive_Polling(UART_Handle_t* huart, 
                                       uint8_t* data, uint32_t len) {
    for(uint32_t i = 0; i < len; i++) {
        // 等待接收数据就绪
        while(!(huart->regs->SR & USART_SR_RXNE));
        data[i] = (uint8_t)(huart->regs->DR & 0xFF);
    }
    return HAL_OK;
}

我曾经踩过的坑：轮询接收时，如果对方发过来的数据长度不确定，while循环会卡死。后来我加了超时机制——用SysTick计时，超过一定时间就返回超时错误。这个改动救了我好几次。

4.4 中断模式收发实现

中断模式是实际项目中最常用的。CPU不用死等，数据来了再处理。

中断发送的思路：先触发TXE中断，在中断服务程序里一个字节一个字节地发，发完关中断。

void HAL_UART_Transmit_IT(UART_Handle_t* huart, 
                           uint8_t* data, uint32_t len) {
    huart->tx_buffer = data;
    huart->tx_size = len;
    huart->tx_index = 0;
    // 使能发送缓冲区空中断
    huart->regs->CR1 |= USART_CR1_TXEIE;
}

// 中断服务程序中调用
void HAL_UART_IRQHandler(UART_Handle_t* huart) {
    // 发送中断
    if(huart->regs->SR & USART_SR_TXE) {
        if(huart->tx_index < huart->tx_size) {
            huart->regs->DR = huart->tx_buffer[huart->tx_index++];
        } else {
            // 发送完成，关中断
            huart->regs->CR1 &= ~USART_CR1_TXEIE;
            if(huart->tx_callback) 
                huart->tx_callback(huart->callback_arg);
        }
    }
    // 接收中断
    if(huart->regs->SR & USART_SR_RXNE) {
        uint8_t data = (uint8_t)(huart->regs->DR & 0xFF);
        if(huart->rx_callback)
            huart->rx_callback(data, huart->callback_arg);
    }
}

接收中断更简单——每收到一个字节，就调用回调函数。上层应用在回调里处理数据。

我建议：中断服务程序里不要做复杂处理。收到数据后，用环形缓冲区暂存，主循环里再解析。否则中断嵌套一多，系统就崩了。

4.5 DMA模式收发实现

DMA模式是性能最好的。CPU只需要配置好DMA，剩下的搬运工作DMA自己完成。适合大数据量、高速率通信。

DMA发送流程：

配置DMA通道：源地址=内存，目的地址=UART数据寄存器
设置传输长度
使能DMA，使能UART的DMA发送请求
DMA传输完成触发中断，通知上层

HAL_Status_t HAL_UART_Transmit_DMA(UART_Handle_t* huart, 
                                    uint8_t* data, uint32_t len) {
    // 配置DMA
    DMA_Config_t dma_cfg = {
        .src_addr  = (uint32_t)data,
        .dst_addr  = (uint32_t)&huart->regs->DR,
        .size      = len,
        .src_inc   = 1,    // 源地址递增
        .dst_inc   = 0,    // 目的地址固定
        .transfer_size = 1 // 字节传输
    };
    HAL_DMA_Config(huart->dma_tx_channel, &dma_cfg);
    // 使能UART DMA发送
    huart->regs->CR3 |= USART_CR3_DMAT;
    // 启动DMA
    HAL_DMA_Start(huart->dma_tx_channel);
    return HAL_OK;
}

DMA接收类似，但要注意环形缓冲区的处理。我常用的做法是DMA双缓冲：

DMA在接收数据时，CPU处理另一块缓冲区
DMA传输完成中断里，交换两个缓冲区指针
这样数据流不会断

我曾经遇到的坑：DMA接收时，如果UART长时间没有数据，DMA传输完成中断永远不会触发。解决方案是配合空闲中断——检测到总线空闲时，强制结束当前DMA传输，把数据交出去。

4.6 三种模式对比与选型

模式	CPU占用	实时性	数据量	适用场景
轮询	高（100%占用）	差（阻塞）	小（<100字节）	调试、初始化
中断	中（每字节中断）	好	中（<1KB）	通用通信
DMA	低（仅配置+完成中断）	最好	大（>1KB）	高速、大数据量

选型建议：

调试阶段用轮询，简单直接
产品中用中断，平衡性能和资源
WiFi模块、蓝牙模块这类高速通信，必须用DMA

4.7 UART驱动知识体系

下面这张图，把UART驱动的核心脉络画出来了：

嗯，这张图把UART驱动的三个层次说清楚了。协议是基础，HAL接口是桥梁，三种模式是具体实现。实际项目中，你可能会在一个驱动里同时用中断和DMA——比如命令用中断收发，大数据用DMA收发。灵活搭配才是王道。