1. 什么是UART？

UART是一种异步串行通信接口，常用于通过串口与外部设备进行通信。它通过发送和接收数据帧来实现数据传输，使用起来相对简单。UART通常包含发送器（Transmitter）和接收器（Receiver），通过两根信号线（传输线）进行双向通信。

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2. UART协议内容简介

• 起始位：发出1位低电平信号，表示开始传输字符。
• 数据位：真正发送的数据，一般为8位（1个字节），常采用ASCII编码，从最低位开始发送。
• 校验位：用于检验接收到的数据是否正确，分为奇校验和偶校验。
• 停止位：一组数据的结束传输的标志。可以是1位、1.5位、2位的高电平。
• 空闲位：空闲时数据线为高电平状态，代表无数据传输。
• 波特率：衡量传输速率的指标。UART通信中波特率等于比特率。

UART通信的两个设备间，以上因素必须完全一致才能实现数据通信。

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3. UART轮询收发

UART轮询收发时，CPU会不断检测串口的状态位来判断数据收发的情况。

3.1 UART轮询收发的优缺点

UART轮询收发是一种简单直接的UART通信方式，它具有以下优点和缺点：

UART轮询收发适用于简单的、对实时性要求不高的低速通信场景。但在对实时性、效率和灵活性要求较高的应用中，中断或DMA方式可能更加适合。在选择UART通信方式时，需要根据具体应用需求进行权衡和选择。

3.2 UART轮询收发相关的函数

• 初始化UART参数：首先，需要对UART进行初始化，包括波特率（Baud rate）、数据位数、校验位、停止位等参数的设置。这些参数决定了数据的传输格式。

• 发送数据：要发送数据，首先将待发送的数据写入UART发送缓冲区，然后调用轮询发送函数。在轮询方式下，单片机会一直检查是否完成发送，直到超过设定时间或数据发送完成。

• 接收数据：要接收数据，需要从UART接收缓冲区读取数据。同样，在轮询方式下，单片机会一直检查是否完成接收，直到超过设定时间或接收到所有数据。

3.3 【实践】使用蓝牙模块发送数据

使用UART协议，向手机循环发送“Hello World”语句。

3.3.1 配置UART

3.3.2 连接单片机与蓝牙模块

3.3.3 代码实现

在main.c中添加如下语句：

/* 添加至引用区 */
#include "string.h" // strlen函数依赖该头文件
/* 添加至变量定义区*/
char txBuffer[] = "Hello World"; // 需要发送的数据
/* 写在main()的while(1)循环内 */
while(1)
{
    HAL_UART_Transmit(&huart1, (uint8_t *)txBuffer, strlen(txBuffer), 1000);
    HAL_Delay(1000);
}

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4. UART中断收发

4.1 UART中断收发的优缺点

UART中断收发相较于UART轮询收发，提高了系统的效率，但是遇到大量、高速的数据传输时仍然会对CPU的性能产生影响。

4.2 UART中断收发时触发中断的流程

简而言之，每完成一帧数据的收发，都会调用一次中断处理函数，但只有当收发完成时才会调用发送/接收回调函数。在实际操作中，我们一般不需要对中断处理函数HAL_UART_IRQHandler()进行修改。我们将收发完成时的操作逻辑写在回调函数中即可。

4.3 UART中断收发相关的函数

4.3.1 发送相关函数

4.3.2 接收相关函数

4.4 回调函数的使用方式

在stm32f1xx_hal_uart.c文件中，我们可以找到回调函数的声明方式（下以接收回调函数为例）。

关注到函数声明前带有__weak修饰，我们一般将这种函数称之为“弱函数”。含有__weak标识的函数，我们可以自行声明一个同名函数，最终编译器在编译的时候会选择我们自己定义的函数。如果我们没有声明该函数，则会调用有__weak修饰的函数。

因此，我们只需要在合适的位置自己声明一个回调函数即可，不必在该文件中进行修改。

4.5 【实践】使用中断方式收发数据

通过蓝牙向单片机发送三个英文字母，单片机将大小写翻转后发回。

4.5.1 配置UART

在上一节配置的基础上，我们打开UART1的全局中断。

4.5.2 代码实现

我们在main.c中添加如下代码

/* 添加至宏定义区 */
#define rxDataLen 3 //接收三个字节的数据
/* 添加至变量定义区*/
char rxBuffer[rxDataLen]; // 存储接收到的数据的数组

int main()
{
    /* 添加至while(1)循环前*/
    HAL_UART_Receive_IT(&huart1, (uint8_t *)rxBuffer, rxDataLen); // 中断方式接收三个字节数据
    
    while(1) // 注意不要将中断接收写在while循环内
    {
        HAL_Delay(1);
    }
}

在完成一次接收后，我们需要将接收到的字母大小写翻转并输出。我们需要在接收回调函数中实现这一功能，定义接收回调函数如下。

// 接收回调函数（由于需要覆盖原先的弱函数，本函数名称不能更改）
void HAL_UART_RxCpltCallback(UART_HandleTypeDef *huart) 
{
    if(huart == &huart1) // 如果是串口1
    {
        for(int i = 0; i < rxDataLen; i++)
        {
            if(rxBuffer[i] >= 'a' && rxBuffer[i] <= 'z')
            {
                rxBuffer[i] += 'A' - 'a';
            }
            else if(rxBuffer[i] >= 'A' && rxBuffer[i] <= 'Z')
            {
                rxBuffer[i] -= 'A' - 'a';
            }
        }
        HAL_UART_Transmit_IT(&huart1, (uint8_t *)rxBuffer, rxDataLen);
    }

    // 使用HAL_UART_Receive_IT()时，只会进入一次中断。因此需要在回调函数内再次调用该函数
    HAL_UART_Receive_IT(&huart1, (uint8_t *)rxBuffer, rxDataLen);
}

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5. UART使用DMA进行收发 & 空闲中断

5.1 啥是DMA？

DMA（Direct Memory Access，直接内存访问）是一种计算机系统中的数据传输技术，它允许外设直接访问寄存器，而无需通过CPU的干预。DMA技术可以提高数据传输的效率和系统性能，减轻CPU的负担。

简单点来说，DMA收发与轮询、中断都有所不同。在收发数据时，CPU只需告诉DMA数据的来源以及目的地址等信息即可，而无需参与中间的所有传输过程（例如中断收发时每收发一帧数据都会进入中断处理函数，而DMA只在接收完成等少数时刻触发中断，大大降低了CPU的压力）。

5.2 什么是空闲中断？

空闲中断（Idle Interrupt）是UART通信中的一种中断类型。当UART处于空闲状态（没有接收到数据）且持续时间超过一个帧的传输时间时，空闲中断会触发，调用上节提到的函数USART1_IRQHandler。空闲中断可以用于检测数据帧的结束或接收数据的完成。

5.3 相关函数

5.4 【实践】使用DMA & 空闲中断实现不定长数据的接收

结合DMA以及空闲中断，实现接收不定长度的一段数据，发送这一数据的长度。

5.4.1 配置UART

参考前两节，配置好UART以及全局中断。我们还需要开启UART的DMA接收。

5.4.2 代码实现

在本节中，我们将代码按用途划分为不同函数，逐一实现。先定义如下全局变量以及宏变量。

#define rxBufferLen 40 // 接收数据的最大长度
#define __HAL_DMA_SET_COUNTER(__HANDLE__, __COUNTER__) ((__HANDLE__)->Instance->CNDTR = (uint16_t)(__COUNTER__))
char rxBuffer[rxBufferLen]; // 用于存放接收到的数据

程序运行之初，我们需要先对DMA接收进行初始化，该初始化函数应当在main()函数内调用一次。

void UART_InitDMAReceive() // 初始化函数
{
    __HAL_UART_CLEAR_IDLEFLAG(&huart1); // 清除空闲中断标志位
    __HAL_UART_ENABLE_IT(&huart1, UART_IT_IDLE); // 开启UART的空闲中断
    HAL_UART_Receive_DMA(&huart1, (uint8_t*)rxBuffer, rxBufferLen ); // 启动DMA接收
}

每当发生空闲中断或接收到的数据超过缓存区大小时，会产生一次中断。我们首先需要自行编写中断回调函数。

void UART_DMAIdleCallback(UART_HandleTypeDef *huart)
{
    if(huart == &huart1)
    {
        // 停止DMA接收
        __HAL_DMA_DISABLE(huart->hdmarx);
        // 计算接收到的数据长度
        uint8_t dataLen = rxBufferLen - __HAL_DMA_GET_COUNTER(huart->hdmarx) + '0'; 
        // 发送数据长度，使用轮询方法
        HAL_UART_Transmit(&huart1, &dataLen, 1, 10);

        // 重启DMA接收
        __HAL_DMA_SET_COUNTER(huart->hdmarx, rxBufferLen); // 重设DMA计数器
        __HAL_DMA_ENABLE(huart->hdmarx); // 使能DMA接收
    }
}

我们在中断处理函数内添加如下内容（该函数位于文件stm32g4xx_it.c内）。

void USART1_IRQHandler(void)
{
    /* USER CODE BEGIN USART1_IRQn 0 */

    /* USER CODE END USART1_IRQn 0 */
    HAL_UART_IRQHandler(&huart1);
    /* USER CODE BEGIN USART1_IRQn 1 */
    if(__HAL_UART_GET_FLAG(&huart1, UART_FLAG_IDLE) != RESET) // 判断中断是否为空闲中断
    {
        __HAL_UART_CLEAR_IDLEFLAG(&huart1); // 清除空闲中断标志位
        UART_DMAIdleCallback(&huart1); // 空闲回调函数
    }
    /* USER CODE END USART1_IRQn 1 */
}

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6. 课后实践作业

使用DMA+空闲中断实现接收不定长的英文字符串，翻转大小写后输出。