📚 课程目录第3章串口发送字符串的分层封装

3. 串口发送字符串的分层封装

任务定义

在单片机裸机开发中，上层业务代码（如日志输出、命令解析）需要发送字符串，但不应直接操作UART寄存器。本案例要求封装一个串口发送模块，对外仅暴露两个接口：uart_send_string()和uart_send_byte()，上层调用者无需了解任何寄存器细节。底层基于STM32F103的USART1实现，通过查询方式发送（非中断），以最小代码量完成分层隔离。

分层结构

整个设计分为两层：驱动层（uart_driver.c/h）负责寄存器操作；服务层（uart_service.c/h）负责字符串处理逻辑。上层业务只包含uart_service.h，不直接包含驱动头文件，从而在编译层面强制隔离寄存器访问。

驱动层实现

// uart_driver.h
#ifndef UART_DRIVER_H
#define UART_DRIVER_H

#include "stm32f1xx.h"

void uart_driver_init(void);
void uart_driver_send_byte(uint8_t ch);

#endif

// uart_driver.c
#include "uart_driver.h"

void uart_driver_init(void)
{
    // 使能USART1和GPIOA时钟
    RCC->APB2ENR |= RCC_APB2ENR_USART1EN | RCC_APB2ENR_IOPAEN;
    
    // PA9=TX(推挽复用), PA10=RX(浮空输入)
    GPIOA->CRH &= ~(GPIO_CRH_CNF9_Msk | GPIO_CRH_MODE9_Msk);
    GPIOA->CRH |= (GPIO_CRH_CNF9_1 | GPIO_CRH_MODE9_1 | GPIO_CRH_MODE9_0); // 50MHz复用推挽
    GPIOA->CRH &= ~(GPIO_CRH_CNF10_Msk | GPIO_CRH_MODE10_Msk);
    GPIOA->CRH |= GPIO_CRH_CNF10_0;  // 浮空输入
    
    // 115200-8-N-1 (PCLK2=72MHz)
    USART1->BRR = 0x2710;  // 72MHz/115200 = 625 = 0x271
    USART1->CR1 = USART_CR1_UE | USART_CR1_TE;
}

void uart_driver_send_byte(uint8_t ch)
{
    // 等待发送数据寄存器空
    while (!(USART1->SR & USART_SR_TXE));
    USART1->DR = ch;
}

服务层实现

// uart_service.h
#ifndef UART_SERVICE_H
#define UART_SERVICE_H

#include <stdint.h>

void uart_service_init(void);
void uart_send_byte(uint8_t ch);
void uart_send_string(const char *str);

#endif

// uart_service.c
#include "uart_service.h"
#include "uart_driver.h"

void uart_service_init(void)
{
    uart_driver_init();
}

void uart_send_byte(uint8_t ch)
{
    uart_driver_send_byte(ch);
}

void uart_send_string(const char *str)
{
    if (str == 0) return;
    while (*str != '\0') {
        uart_driver_send_byte((uint8_t)(*str));
        str++;
    }
}

上层调用示例

// main.c 片段
#include "uart_service.h"

int main(void)
{
    uart_service_init();
    
    while (1) {
        uart_send_string("Hello from UART layer\r\n");
        for (volatile uint32_t i = 0; i < 2000000; i++); // 简单延时
    }
}

接口隔离验证

上层main.c只包含uart_service.h，不包含uart_driver.h。若上层代码尝试直接访问USART1->DR或调用uart_driver_send_byte()，编译器将报错（未声明标识符），从编译层面保证分层不被破坏。

工程文件与编译

需要添加的文件：uart_driver.c、uart_service.c、main.c。头文件路径需包含上述三个.h所在目录。使用STM32标准外设库或直接寄存器方式均可，本实现不依赖HAL库，仅需CMSIS头文件stm32f1xx.h。

验证方法与判定标准

硬件验证：将PA9(TX)连接至USB转TTL模块的RX，PC端打开串口助手（115200-8-N-1）。上电后应持续收到字符串Hello from UART layer，每行以回车换行结尾。

判定标准：

串口助手能稳定收到预期字符串，无乱码、无丢失；
在main.c中尝试包含uart_driver.h并直接操作USART1->DR，编译应报错，证明接口隔离有效；
将uart_send_string()的参数改为NULL，程序不崩溃（空指针保护生效）。