串口发送数据的配置与工作流程是怎样的？

概述
本文是对UART外设的加深学习(参考正点原子的教学)，文章架构如下：


研究串口发送数据配置流程
研究串口接收数据配置流程
研究串口收发数据中断处理流程
阅读完本文，要能回答以下问题：


简述串口发送数据的配置与工作流程。
前文HAL库通过HAL_UART_Init()配置好串口数据格式，简要阐述一下如何实现串口使能、串口发送使能的。
配置好串口后，通过HAL_UART_Transmit()函数进行USART异步发送数据，从该函数接收参数、返回参数的角度简述该函数是如何发送数据的。
从该函数具体实现何种功能的角度简述该函数是如何发送数据的。
该函数实现发送数据功能，需要UART_HandleTypeDef的成员变量*pTxBuffPtr、TxXferSize、 TxXferCount支持，阐述下这三个变量的功能。
简述串口开启接收中断时接收数据的初始化配置与工作流程。
配置好串口相关特性后，接下来就是要开启中断，简述开启接收中断的过程。
开启中断过程中涉及到锁的概念，对关键资源池进行保护，防止抢占，基于进程相关概念分析下锁的作用。
开启接收中断后，中断函数的内部需要进行哪些操作？
为了测试串口是否正确读取到了数据，通常会将读到的数据回调到串口输出，阐述下这一过程。
文章最后，列出了一些值得进一步研究的内容，包括对中断函数内部的优化、进程管理等，后续敬请期待。


串口发送数据的配置流程
1、简述串口发送数据的配置流程。


配置串口数据格式，例如字长、停止位、奇偶校验位和波特率
串口使能、串口发送使能
向发送数据寄存器TDR写入待发送的数据
等待状态寄存器USARTx_SR(ISR)的TC位置1，表征串口发送数据完成
int main(void)
{
    u8 buff[]="test";
    HAL_Init();                     //³õʼ»¯HAL¿â   
    Stm32_Clock_Init(360,25,2,8);   //ÉèÖÃʱÖÓ,180Mhz
    delay_init(180);
       
          uart1_init();
       
    while(1)
                {
                  HAL_UART_Transmit(&usart1_handler,buff,sizeof(buff),1000);
                        delay_ms(3000);
               
                }
       
        }


2、前文已经讲解如何通过HAL_UART_Init()配置串口数据格式，但是却没有注意串口使能、串口发送使能是如何实现的，简要阐述一下。


对于串口使能，是通过宏定义的，如下所示
#define __HAL_UART_ENABLE(__HANDLE__)               ((__HANDLE__)->Instance->CR1 |=  USART_CR1_UE)
1
在配置串口初始化时，宏定义如下使用：首先关闭串口使能，然后使用 UART_SetConfig()配置串口特性，最后打开串口使能。
/* Disable the peripheral */
  __HAL_UART_DISABLE(huart);


  /* Set the UART Communication parameters */
  UART_SetConfig(huart);


//......


  /* Enable the peripheral */
  __HAL_UART_ENABLE(huart);
  


对于串口发送的使能，是通过上文介绍的init成员变量Mode设置好特性，然后通过UART_SetConfig()函数传递Mode取值给配置寄存器相关位。
//通过这里的huart->Init.Mode确定是否使能串口读或写
tmpreg |= (uint32_t)huart->Init.WordLength | huart->Init.Parity | huart->Init.Mode | huart->Init.OverSampling;


//Mode的取值如下
#define UART_MODE_RX                        ((uint32_t)USART_CR1_RE)
#define UART_MODE_TX                        ((uint32_t)USART_CR1_TE)
#define UART_MODE_TX_RX                     ((uint32_t)(USART_CR1_TE |USART_CR1_RE))


3、通过HAL_UART_Transmit()函数进行USART异步发送数据，从该函数接收参数、返回参数的角度简述该函数是如何发送数据的。


HAL_StatusTypeDef HAL_UART_Transmit(UART_HandleTypeDef *huart, uint8_t *pData, uint16_t Size, uint32_t Timeout);
1
返回参数HAL_StatusTypeDef标志函数执行的状态结果。
第一个接收参数是UART_HandleTypeDef数据类型，通过上文分析，知道了USART相关的发送数据寄存器的地址信息在这个参数里面。
第二个接收参数是指向char类型的指针，给出了待发送数据的地址
第三个接收参数要给出待发送数据的大小
第四个接收参数是预定发送数据的超时门槛
4、从该函数具体实现何种功能的角度简述该函数是如何发送数据的。


发送数据的主体部分如下所示，只要pdata指向的数据没有发送完，就向数据寄存器里面写pdata指向的数据。
地址每次自加1，指向下一个字节，表明数据寄存器一次只发送一个字节的数据，符合数据寄存器低8(9)位工作的特性。
    huart->TxXferSize = Size;
    huart->TxXferCount = Size;
    while(huart->TxXferCount > 0)
    {
      huart->TxXferCount--;
      //...
      huart->Instance->DR = (*pData++ & (uint8_t)0xFF);//8位数据位
      


5、该函数实现发送数据功能，需要UART_HandleTypeDef的成员变量*pTxBuffPtr、TxXferSize、 TxXferCount支持，阐述下这三个变量的功能。


pTxBuffPtr是串口发送数据的数据缓存指针，只有在开启中断后，将pdata指针传递给pTxBuffPtr(为啥开启中断后才这样做？)
TxXferSize设置需要发送的数据量
TxXferCount设置还剩余要发送的数据量
RX对应的三个变量同理解释
串口接收数据的配置与工作流程
上文介绍串口发送数据时，没有涉及中断的概念。本节在开启接收中断的前提下，研究程序流程。


1、简述串口开启接收中断时接收数据的初始化配置与工作流程。


配置串口数据格式，例如字长、停止位、奇偶校验位和波特率
在GPIO复用配置时，需要使能串口x的中断通道，并且设置中断优先级。
串口使能、串口接收使能
开启接收中断
进入主循环，等待响应读中断
int main(void)
{

    HAL_Init();                     //初始化HAL库
    Stm32_Clock_Init(360,25,2,8);   //设置时钟,180Mhz
    delay_init(180);
       
        uart1_init();//初始化串口参数


        HAL_UART_Receive_IT(&usart1_handler, (u8 *)rdata, 1);//该函数会开启接收中断，并且设置接收缓冲以及接收最大数据量


       
    while(1)
        {
               
        }
       
        }


uart1_init()函数调用HAL_UART_Init()，设置好了串口特性、数据格式，并且对串口以及串口接收数据进行了使能。同时在GPIO复用配置时，使能串口x的中断通道，并且设置中断优先级。中断配置相关概念在中断一文进行说明。


void HAL_UART_MspInit(UART_HandleTypeDef *huart)
{
   
        GPIO_InitTypeDef GPIO_Initure;
       
        if(huart->Instance==USART1)//配置对应串口
        {
                //......
               
                HAL_NVIC_EnableIRQ(USART1_IRQn);                //使能串口1中断通道
                HAL_NVIC_SetPriority(USART1_IRQn,3,3);        //设置串口1的中断优先级
        }
       
}


2、配置好串口相关特性后，接下来就是要开启中断，简要阐述开启接收中断的过程。


通过HAL_UART_Receive_IT()开启接收中断，并且设置接收缓冲以及接收最大数据量
HAL_StatusTypeDef HAL_UART_Receive_IT(UART_HandleTypeDef *huart, uint8_t *pData, uint16_t Size);
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研究该函数接收参数，第一个参数包含串口寄存器的实际地址，第二个参数是希望存放接收数据的地址，第三个参数是数据大小
    /* Process Locked */
    __HAL_LOCK(huart);
   
    huart->pRxBuffPtr = pData;
    huart->RxXferSize = Size;
    huart->RxXferCount = Size;


    /* Process Unlocked */
    __HAL_UNLOCK(huart);


    /* Enable the UART Data Register not empty Interrupt */
    __HAL_UART_ENABLE_IT(huart, UART_IT_RXNE);


研究该函数实现的功能：
首先指定接收到的数据该存在内存地址哪里，每次接收多少数据。
然后开启数据接收中断，使能RXNE的功能，一旦状态寄存器的RXNE由硬件置1了，表明有数据待读取了，产生中断。只要对数据寄存器执行读操作后，就会自动清零该标志位
进一步可以推断出，进入接收中断，要执行的一步重要操作是：将数据寄存器huart->Instance->DR的值送入到待存放地址huart->pRxBuffPtr中去
3、这里涉及到锁的概念，对资源池进行保护，防止抢占，基于进程相关概念分析下锁的作用。


4、开启接收中断后，中断函数的内部需要进行哪些操作？


调用HAL_UART_IRQHandler()函数执行需要执行的功能
恢复状态标志位并退出中断。
HAL_UART_IRQHandler()内部，又调用UART_Receive_IT()函数，最终实现将数据寄存器huart->Instance->DR的值送入到待存放地址huart->pRxBuffPtr中去
void USART1_IRQHandler(void)   
{
        HAL_UART_IRQHandler(&usart1_handler);
        while (HAL_UART_GetState(&usart1_handler) != HAL_UART_STATE_READY);//µÈ´ý¾ÍÐ÷
        while(HAL_UART_Receive_IT(&usart1_handler, (u8 *)rdata, 1) != HAL_OK);       
}


void HAL_UART_IRQHandler(UART_HandleTypeDef *huart)
{
//......
/* UART in mode Receiver --------------*/
  if((tmp1 != RESET) && (tmp2 != RESET))
  {
    UART_Receive_IT(huart);
  }
  //......
}


static HAL_StatusTypeDef UART_Receive_IT(UART_HandleTypeDef *huart)
{
        //...
        *huart->pRxBuffPtr++ = (uint8_t)(huart->Instance->DR & (uint8_t)0x00FF);
        //......
}


5、为了测试串口是否正确读取到了数据，通常会将读到的数据回调到串口输出，阐述下这一过程。


通过调用HAL_UART_RxCpltCallback()函数将接收到的数据通过串口1发送，函数如下所示：
void HAL_UART_RxCpltCallback(UART_HandleTypeDef *huart)
{
  u8 rec;
  if(huart->Instance==USART1)//如果串口1
  {
        rec=*(--(huart->pRxBuffPtr));
    HAL_UART_Transmit(&usart1_handler,&rec,1,1000);
  }


}


这个函数该在代码哪里被调用呢？在UART_Receive_IT()函数内部被调用，即在接收中断函数里面被调用，再将数据寄存器huart->Instance->DR的值送入到待存放地址huart->pRxBuffPtr中去之后，调用HAL_UART_RxCpltCallback()函数，发送数据。
static HAL_StatusTypeDef UART_Receive_IT(UART_HandleTypeDef *huart)
{
        //...
        *huart->pRxBuffPtr++ = (uint8_t)(huart->Instance->DR & (uint8_t)0x00FF);
        //......
        HAL_UART_RxCpltCallback(huart);
        //......
}


在中断函数中使用HAL库执行中断操作并不是一个好的选择，因为在工控领域，中断常常需要高频响应的，这要求中断程序必须足够简洁，如果不够简洁，会造成高优先级中断始终抢占、低优先级中断始终死等。


后续工作包括对中断函数内部的优化、进程管理，有机会再深入研究