高效的串口通信設(shè)計(jì)：基于 STM32 的環(huán)形緩沖區(qū)收發(fā)機(jī)制

在嵌入式系統(tǒng)開發(fā)中，串口（UART）是最基礎(chǔ)也是最常用的通信方式之一。無論是用于調(diào)試信息的打印、與外設(shè)通信，還是與主控模塊的數(shù)據(jù)交互，一個(gè)穩(wěn)定可靠、結(jié)構(gòu)清晰的串口通信模塊都是不可或缺的。

介紹一個(gè)基于 STM32F4 系列微控制器實(shí)現(xiàn)的串口通信模塊，該模塊采用環(huán)形緩沖區(qū)結(jié)構(gòu)，并結(jié)合中斷機(jī)制，實(shí)現(xiàn)了非阻塞、緩存式的數(shù)據(jù)收發(fā)。整體設(shè)計(jì)思路清晰、邏輯模塊化，適合在嵌入式項(xiàng)目中直接復(fù)用。

模塊結(jié)構(gòu)概覽

本模塊主要由兩個(gè)部分組成：

1. 串口驅(qū)動(dòng)模塊（tty.c）
   負(fù)責(zé) UART 的初始化、收發(fā)控制與中斷服務(wù)處理。

2. 環(huán)形緩沖區(qū)模塊（ringbuffer.c）
   提供通用的循環(huán)數(shù)據(jù)緩存接口，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的無損、非阻塞讀寫。

這種設(shè)計(jì)將通信協(xié)議與緩存機(jī)制分離，提升了系統(tǒng)的可維護(hù)性與移植性。

基本數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

本模塊的核心是一個(gè) ring_buf_t 類型，其內(nèi)部應(yīng)定義如下字段（見 ringbuffer.h）：

typedef struct {
    unsigned char *buf;   // 實(shí)際數(shù)據(jù)緩沖區(qū)
    unsigned int size;    // 緩沖區(qū)總大?。ū仨殲?的冪）
    unsigned int front;   // 數(shù)據(jù)讀取指針
    unsigned int rear;    // 數(shù)據(jù)寫入指針} ring_buf_t;

設(shè)計(jì)約束：緩沖區(qū)大小必須為 2 的整數(shù)次冪。
這是為了優(yōu)化環(huán)形地址 wrap-around 操作，使用按位與（&）替代取模運(yùn)算。

函數(shù)接口說明 初始化與清空

bool ring_buf_init(ring_buf_t *r, unsigned char *buf, unsigned int len);

初始化一個(gè)空的環(huán)形緩沖區(qū)，要求 len 是 2 的冪，返回值表示初始化成功與否。

void ring_buf_clr(ring_buf_t *r);

將讀寫指針歸零，清空所有數(shù)據(jù)。

數(shù)據(jù)寫入

unsigned int ring_buf_put(ring_buf_t *r, unsigned char *buf, unsigned int len);

將外部數(shù)據(jù) buf 寫入到環(huán)形緩沖區(qū)中。若緩沖區(qū)剩余空間不足，則只寫入能容納的部分。返回實(shí)際寫入長度。

關(guān)鍵點(diǎn)：

• 支持跨緩沖區(qū)尾部寫入（wrap-around）；

• 寫入操作不會(huì)覆蓋未讀數(shù)據(jù)；

• 使用 rear 指針更新寫入位置。

數(shù)據(jù)讀取

unsigned int ring_buf_get(ring_buf_t *r, unsigned char *buf, unsigned int len);

從環(huán)形緩沖區(qū)讀取數(shù)據(jù)至 buf，若請(qǐng)求數(shù)據(jù)超出已有長度，僅讀取實(shí)際可用部分。返回值為實(shí)際讀取字節(jié)數(shù)。

關(guān)鍵點(diǎn)：

• 支持跨緩沖區(qū)尾部讀??；

• 讀取數(shù)據(jù)后 front 指針更新；

• 數(shù)據(jù)一旦讀取即“消費(fèi)”，不可重復(fù)讀取。

 獲取當(dāng)前數(shù)據(jù)長度

unsigned int ring_buf_len(ring_buf_t *r);

返回當(dāng)前緩沖區(qū)中已存數(shù)據(jù)長度（rear - front）。注意該實(shí)現(xiàn)默認(rèn)讀寫指針不斷增加，不會(huì)回繞，即 unsigned int 類型下支持最大 4G 字節(jié)空間。

性能優(yōu)化點(diǎn)

1. 位操作替代模運(yùn)算：
   緩沖區(qū)大小為 2 的冪時(shí)，可用 & (size - 1) 快速計(jì)算 wrap-around 的實(shí)際索引位置，減少 CPU 開銷。

r->rear & (r->size - 1)  // 相當(dāng)于 r->rear % r->size

1. 雙段 memcpy 提高吞吐：
   為處理尾部 wrap 情況，寫入和讀取都拆分成兩個(gè) memcpy()，分別處理尾部和頭部?jī)啥巍?/span>

一、串口收發(fā)的關(guān)鍵設(shè)計(jì)思想1. 接收與發(fā)送分離

通過 USART1_IRQHandler 中斷服務(wù)函數(shù)分別處理 接收中斷 和 發(fā)送中斷，每次接收到數(shù)據(jù)就放入接收緩沖區(qū)（rxbuf），每次發(fā)送緩沖區(qū)中有數(shù)據(jù)就啟動(dòng)發(fā)送中斷。這樣設(shè)計(jì)的優(yōu)點(diǎn)是：

• 接收及時(shí)不中斷，防止數(shù)據(jù)丟失；

• 發(fā)送自動(dòng)控制，避免頻繁輪詢；

• 系統(tǒng)主循環(huán)更加干凈清晰。

2. 非阻塞緩沖機(jī)制

通過自定義結(jié)構(gòu) ring_buf_t，配合 ring_buf_put 與 ring_buf_get，實(shí)現(xiàn)了一個(gè)靈活的環(huán)形數(shù)據(jù)緩沖區(qū)。相比一次性收發(fā)固定數(shù)據(jù)，這種緩存機(jī)制更具魯棒性，適合串口波動(dòng)大、數(shù)據(jù)密集或通信速率不一致的場(chǎng)合。

二、環(huán)形緩沖區(qū)的應(yīng)用價(jià)值

環(huán)形緩沖區(qū)（Ring Buffer）是一種“循環(huán)”的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，空間開銷小、速度快，非常適合嵌入式實(shí)時(shí)系統(tǒng)中對(duì)性能要求高的通信模塊。

在串口收發(fā)中，它的典型作用包括：

• 解決串口收發(fā)異步性問題，接收與處理分離；

• 支持可變長度數(shù)據(jù)幀的緩沖處理；

• 與中斷或DMA天然契合，避免主線程阻塞；

• 數(shù)據(jù)臨時(shí)緩存，保障高并發(fā)場(chǎng)景的數(shù)據(jù)完整性。

三、統(tǒng)一串口接口設(shè)計(jì)

為了提高代碼復(fù)用性，模塊中使用了一個(gè)結(jié)構(gòu)體 tty_t 對(duì)串口操作進(jìn)行統(tǒng)一抽象，包括：

• 串口初始化函數(shù)；

• 發(fā)送數(shù)據(jù)接口；

• 接收數(shù)據(jù)接口；

• 緩沖狀態(tài)判斷函數(shù)（是否滿、是否空）；

通過將這些函數(shù)指針封裝在結(jié)構(gòu)體中，可以非常方便地實(shí)現(xiàn)“控制臺(tái)接口”或多串口同時(shí)支持，只需更換硬件配置部分即可。

const tty_t tty = {
    uart_init,
    uart_write,
    uart_read,
    tx_isfull,
    tx_isempty,
    rx_isempty
};

這種設(shè)計(jì)方式值得推廣到其他如 SPI、CAN、I2C 等通信模塊上，實(shí)現(xiàn)統(tǒng)一接口調(diào)用，提升代碼一致性。

四、典型應(yīng)用場(chǎng)景

這個(gè)串口收發(fā)模塊適合嵌入式項(xiàng)目中的以下典型場(chǎng)景：

• 設(shè)備調(diào)試打?。捍谧鳛?printf 的輸出設(shè)備，緩存打印內(nèi)容，防止打印阻塞主循環(huán)。

• 與上位機(jī)通訊：通過串口接收指令、發(fā)送響應(yīng)數(shù)據(jù)，配合協(xié)議幀解析模塊構(gòu)成完整通訊鏈路。

• 傳感器數(shù)據(jù)采集：將高頻率傳感器的串口數(shù)據(jù)接收后緩存，主線程按需讀取處理。

• 工業(yè)控制通信：對(duì)實(shí)時(shí)性要求高，使用環(huán)形緩沖區(qū)和中斷機(jī)制可避免數(shù)據(jù)積壓。

五、設(shè)計(jì)優(yōu)點(diǎn)總結(jié)

• 模塊化清晰：緩存模塊與串口驅(qū)動(dòng)分離，便于獨(dú)立調(diào)試、復(fù)用。

• 性能穩(wěn)定：中斷驅(qū)動(dòng) + 緩沖機(jī)制，避免數(shù)據(jù)丟失。

• 擴(kuò)展靈活：支持任意大小的緩存、多個(gè)串口實(shí)例。

• 移植方便：與具體芯片無強(qiáng)耦合，適合在不同 STM32 系列中復(fù)用。

六、推薦使用方式

建議將此模塊封裝為標(biāo)準(zhǔn)組件，并在上層封裝為串口服務(wù)層，例如：

tty.uart_init(115200);tty.uart_write("Hello World", 11);

上層應(yīng)用只需調(diào)用接口函數(shù)，無需關(guān)注底層緩沖邏輯與中斷機(jī)制，提高應(yīng)用開發(fā)效率。

七、后續(xù)可拓展方向

• 支持 DMA 模式收發(fā)，進(jìn)一步提升數(shù)據(jù)吞吐；

• 加入幀協(xié)議解析支持（如 Modbus、自定義幀）；

• 增加線程/RTOS安全訪問控制；

• 緩沖區(qū)動(dòng)態(tài)分配與多通道管理。

結(jié)語

一個(gè)好的串口模塊設(shè)計(jì)，往往是嵌入式系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行的基礎(chǔ)。本文介紹的環(huán)形緩沖機(jī)制與中斷控制結(jié)合的串口收發(fā)架構(gòu)，具有良好的通用性、擴(kuò)展性與實(shí)際工程適用性，值得在項(xiàng)目中加以實(shí)踐與改進(jìn)。

如你也在做基于 STM32 的嵌入式項(xiàng)目，這套結(jié)構(gòu)可以幫助你快速搭建一個(gè)健壯、可擴(kuò)展的串口通信模塊。

開源代碼：

#include "ringbuffer.h"#include <string.h>#include <stddef.h>#define min(a,b) ( (a) < (b) )? (a):(b)     
     /*
 *@brief      構(gòu)造一個(gè)空環(huán)形緩沖區(qū)
 *@param[in]  r    - 環(huán)形緩沖區(qū)管理器
 *@param[in]  buf  - 數(shù)據(jù)緩沖區(qū)
 *@param[in]  len  - buf長度(必須是2的N次冪)
 *@retval     bool
 */bool ring_buf_init(ring_buf_t *r,unsigned char *buf, unsigned int len){
    r->buf    = buf;
    r->size   = len;
    r->front  = r->rear = 0;    return buf != NULL && (len & len -1) == 0;
}/*
 *@brief      清空環(huán)形緩沖區(qū) 
 *@param[in]  r - 待清空的環(huán)形緩沖區(qū)
 *@retval     none
 */void ring_buf_clr(ring_buf_t *r){
    r->front = r->rear = 0;
}/*
 *@brief      獲取環(huán)形緩沖區(qū)數(shù)據(jù)長度
 *@retval     環(huán)形緩沖區(qū)中有效字節(jié)數(shù) 
 */unsigned int ring_buf_len(ring_buf_t *r){    return r->rear - r->front;
}/*
 *@brief       將指定長度的數(shù)據(jù)放到環(huán)形緩沖區(qū)中 
 *@param[in]   buf - 數(shù)據(jù)緩沖區(qū)
 *             len - 緩沖區(qū)長度 
 *@retval      實(shí)際放到中的數(shù)據(jù) 
 */unsigned int ring_buf_put(ring_buf_t *r,unsigned char *buf,unsigned int len){    unsigned int i;    unsigned int left;
    left = r->size + r->front - r->rear;
    len  = min(len , left);
    i    = min(len, r->size - (r->rear & r->size - 1));   
    memcpy(r->buf + (r->rear & r->size - 1), buf, i); 
    memcpy(r->buf, buf + i, len - i);
    r->rear += len;     
    return len;
    
}/*
 *@brief       從環(huán)形緩沖區(qū)中讀取指定長度的數(shù)據(jù) 
 *@param[in]   len - 讀取長度 
 *@param[out]  buf - 輸出數(shù)據(jù)緩沖區(qū)
 *@retval      實(shí)際讀取長度 
 */unsigned int ring_buf_get(ring_buf_t *r,unsigned char *buf,unsigned int len){    unsigned int i;    unsigned int left;    
    left = r->rear - r->front;
    len  = min(len , left);                                
    i    = min(len, r->size - (r->front & r->size - 1));    memcpy(buf, r->buf + (r->front & r->size - 1), i);    
    memcpy(buf + i, r->buf, len - i);   
    r->front += len;    return len;
}