4. GPIO模拟UART：用定时器+GPIO实现简易UART发送

说实话，很多工程师第一次接触UART，都是直接用硬件外设。但硬件UART一旦坏了，或者芯片引脚不够用，你就得靠GPIO硬怼。我当年做一款小家电，主控只有两组UART，硬是被产品经理塞了三个串口设备……没办法，第三个口只能拿GPIO模拟。

这一章，我们就来手撸一个GPIO模拟UART发送。目标很简单：用定时器+GPIO，在9600波特率下，把数据发出去。你会彻底搞懂UART的位时序到底是怎么回事。

4.1 UART发送的位时序拆解

UART异步发送，说白了就是一根线，按约定的速率，一比特一比特地往外送。标准的一帧数据长这样：

你看，一帧最少10个位时间（1起始+8数据+1停止）。9600波特率意味着每秒发9600个位，每个位的时间就是：

位时间 = 1 / 9600 ≈ 104.17 微秒

嗯，104微秒。这个时间，用定时器来卡，刚刚好。

4.2 定时器配置：卡准104微秒

我习惯用硬件定时器的比较匹配中断来做。为什么不用延时函数？因为延时函数会阻塞CPU，你发数据的时候啥也干不了。用定时器中断，CPU可以在位与位之间干别的事。

假设你的系统时钟是72MHz（比如STM32F103），定时器预分频后得到1MHz的计数时钟，那么一个计数周期就是1微秒。要卡104微秒，就设比较值为104。

/* 定时器初始化：1MHz计数，比较值104 */
void timer_init_for_uart(void) {
    /* 假设 TIM2, 72MHz 时钟 */
    TIM2->PSC = 72 - 1;      /* 预分频：72MHz / 72 = 1MHz */
    TIM2->ARR = 104 - 1;     /* 自动重装：104 个计数 */
    TIM2->DIER |= TIM_DIER_UIE; /* 使能更新中断 */
    NVIC_EnableIRQ(TIM2_IRQn);
}

4.3 GPIO模拟发送的状态机

你不能在中断里直接发完一整帧。中断服务函数应该只处理一个位，然后退出。所以我们需要一个状态机，记录当前发到了哪一位。

我设计了一个简单的发送状态机：

/* 发送状态 */
typedef enum {
    TX_IDLE,        /* 空闲，等待发送 */
    TX_START,       /* 发送起始位 */
    TX_DATA,        /* 发送数据位 */
    TX_STOP         /* 发送停止位 */
} tx_state_t;

/* 发送控制块 */
typedef struct {
    volatile tx_state_t state;
    volatile uint8_t    data;       /* 待发送的字节 */
    volatile uint8_t    bit_count;  /* 已发送的数据位数 */
    volatile uint8_t    busy;       /* 发送忙标志 */
} uart_tx_t;

uart_tx_t g_tx = {TX_IDLE, 0, 0, 0};

发送一个字节的流程：

1. 应用程序调用 uart_send_byte(0x55)，把数据写入控制块，状态切到 TX_START。
2. 定时器中断到来，根据当前状态，拉高或拉低TX引脚。
3. 每处理完一个位，状态推进到下一步。
4. 停止位发送完成后，状态回到 TX_IDLE，清忙标志。

4.4 定时器中断服务函数：逐位发送

这是整个模拟UART的核心。每次中断只处理一个位，然后退出。代码不长，但逻辑要严谨。

void TIM2_IRQHandler(void) {
    if (TIM2->SR & TIM_SR_UIF) {
        TIM2->SR = ~TIM_SR_UIF;  /* 清除中断标志 */

        switch (g_tx.state) {
            case TX_START:
                /* 拉低TX，发送起始位 */
                GPIO_ResetBits(GPIOA, GPIO_Pin_9);
                g_tx.state = TX_DATA;
                g_tx.bit_count = 0;
                break;

            case TX_DATA:
                /* 发送当前数据位，LSB first */
                if (g_tx.data & 0x01) {
                    GPIO_SetBits(GPIOA, GPIO_Pin_9);   /* 发1 */
                } else {
                    GPIO_ResetBits(GPIOA, GPIO_Pin_9); /* 发0 */
                }
                g_tx.data >>= 1;   /* 右移，准备下一位 */
                g_tx.bit_count++;
                if (g_tx.bit_count >= 8) {
                    g_tx.state = TX_STOP;
                }
                break;

            case TX_STOP:
                /* 拉高TX，发送停止位 */
                GPIO_SetBits(GPIOA, GPIO_Pin_9);
                g_tx.state = TX_IDLE;
                g_tx.busy = 0;      /* 释放忙标志 */
                break;

            default:
                /* IDLE状态：TX保持高电平 */
                GPIO_SetBits(GPIOA, GPIO_Pin_9);
                break;
        }
    }
}

4.5 发送接口与主循环调用

应用程序调用发送接口，把数据塞进去，然后轮询忙标志，或者用回调通知完成。

/* 发送一个字节（非阻塞） */
uint8_t uart_send_byte(uint8_t data) {
    if (g_tx.busy) {
        return 0;   /* 发送忙，返回失败 */
    }
    g_tx.data = data;
    g_tx.busy = 1;
    g_tx.state = TX_START;
    return 1;       /* 成功启动发送 */
}

/* 主循环中轮询发送完成 */
int main(void) {
    timer_init_for_uart();
    GPIO_Init();    /* PA9 配置为推挽输出 */

    uart_send_byte(0x55);

    while (1) {
        if (!g_tx.busy) {
            /* 上一帧发完了，可以发下一帧 */
            uart_send_byte(0xAA);
            delay_ms(100);
        }
    }
}

你看，主循环里只需要检查 g_tx.busy 就知道数据发完没有。定时器中断在后台默默地把每一位送出去。

4.6 实战验证：9600波特率发送0x55

0x55 这个字节很特殊，二进制是 01010101。在UART线路上，LSB first发送，实际波形是：

• 起始位：低
• bit0: 1
• bit1: 0
• bit2: 1
• bit3: 0
• bit4: 1
• bit5: 0
• bit6: 1
• bit7: 0
• 停止位：高

用逻辑分析仪抓一下，你会看到一串方波，每个电平持续104微秒，高低交替。这就是最原始的UART波形。

4.7 避坑指南：我踩过的几个坑

做GPIO模拟UART，有几个地方特别容易翻车：

• 中断优先级：如果系统里还有其他中断，确保定时器中断优先级够高。我曾经把定时器中断设成最低优先级，结果被其他中断打断，位时间被拉长，接收方直接超时。
• GPIO速度：有些MCU的GPIO输出速度可以配置。如果设成低速，上升沿会变缓，波特率高了容易误码。9600还好，115200就得注意了。
• 连续发送：两个字节之间，停止位之后必须保持高电平至少一个位时间。如果你连续调用 uart_send_byte，要确保上一帧的停止位已经发完。
• 临界区保护：如果主循环和中断同时访问 g_tx 结构体，记得关中断再修改。否则可能读到中间状态。

4.8 本章知识图谱

下面这张图，把GPIO模拟UART发送的完整流程串起来了。从应用层调用，到定时器中断逐位发送，再到物理层波形，一目了然。