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基于 STM32F4 的串口通信驅(qū)動實現(xiàn)詳解（環(huán)形緩沖區(qū)版）

作者：嵌入式芯視野 時間：2025-07-09 來源：今日頭條 收藏

在嵌入式系統(tǒng)開發(fā)中，串口通信（UART）是最常用的基礎通信方式之一。為了解決串口數(shù)據(jù)讀寫的不連續(xù)性問題，通常會配合環(huán)形緩沖區(qū)使用，以實現(xiàn)高效、穩(wěn)定的數(shù)據(jù)收發(fā)緩存管理。

本文介紹一個基于 STM32F4 系列 MCU 編寫的串口通信驅(qū)動，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，而是通過緩沖機制管理數(shù)據(jù)流。本例中使用了兩個環(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

并在串口初始化時調(diào)用 ring_buf_init() 對緩沖區(qū)進行初始化。

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：

  1. 初始化收發(fā)緩沖區(qū)控制結(jié)構(gòu)體。

  2. 打開 GPIOA 和 USART1 時鐘。

  3. 配置 USART1 的引腳復用功能（PA9 → TX，PA10 → RX）。

  4. 配置 GPIO 模式（復用模式，無上下拉）。

  5. 配置串口參數(shù)（波特率等）。

  6. 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)負責將要發(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。

  • 返回實際寫入字節(jié)數(shù)。

由于發(fā)送在中斷中進行，所以只需觸發(fā)中斷即可自動依次發(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)動最終以一個結(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，適合在大型項目中引入“控制臺抽象層”統(tǒng)一管理多個串口。

七、串口中斷處理函數(shù) USART1_IRQHandler

這是串口驅(qū)動的核心部分，負責響應 USART1 的收發(fā)中斷：

void USART1_IRQHandler(void)

主要包含以下處理邏輯：

  1. 接收中斷 RXNE：

  2. 從接收寄存器讀取數(shù)據(jù)。

  3. 存入接收緩沖區(qū) rbrecv。

  4. 發(fā)送中斷 TXE：

  5. 從發(fā)送緩沖區(qū) rbsend 中取出下一個字節(jié)發(fā)送。

  6. 若無數(shù)據(jù)可發(fā)，關閉發(fā)送中斷。

  7. 溢出錯誤中斷 ORE_RX：

  8. 讀取一次數(shù)據(jù)清除溢出標志位。

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)響應性。

八、總結(jié)

本驅(qū)動模塊實現(xiàn)了一個完整的串口通信功能，具備如下特點：

  • 支持發(fā)送與接收雙緩沖。

  • 使用中斷驅(qū)動方式收發(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)，支持模塊化應用。

其設計適用于嵌入式系統(tǒng)中多個串口同時工作的場景，也適合作為 CLI 控制臺、調(diào)試口或上位機通信口的底層驅(qū)動支撐。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)并啟動發(fā)送
 * @param[in]   buf       -  數(shù)據(jù)緩存
 * @param[in]   len       -  數(shù)據(jù)長度
 * @return 	    實際寫入長度(如果此時緩沖區(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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