在嵌入式系統開發中，串口通信（UART）是最常用的基礎通信方式之一。為了解決串口數據讀寫的不連續性問題，通常會配合環形緩沖區使用，以實現高效、穩定的數據收發緩存管理。

本文介紹一個基于 STM32F4 系列 MCU 編寫的串口通信驅動，采用中斷方式配合發送/接收緩沖區，并封裝為控制臺接口，便于在系統中調用。

一、串口緩沖區定義與初始化

串口收發數據通常不直接讀寫寄存器，而是通過緩沖機制管理數據流。本例中使用了兩個環形緩沖區 rxbuf 和 txbuf，分別用于接收和發送：

static unsigned char rxbuf[TTY_RXBUF_SIZE];  // 接收緩沖區static unsigned char txbuf[TTY_TXBUF_SIZE];  // 發送緩沖區static ring_buf_t rbsend, rbrecv;            // 緩沖區控制結構體

并在串口初始化時調用 ring_buf_init() 對緩沖區進行初始化。

二、串口初始化函數 uart_init

static void uart_init(int baudrate)

該函數用于初始化 USART1，并完成如下步驟：

1. 初始化收發緩沖區控制結構體。

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（波特率等）。

6. 配置 NVIC 中斷優先級并使能 USART1 中斷。

通過將底層串口配置封裝在 uart_init() 中，使得后續調用更加簡潔。

三、串口寫函數 uart_write

static unsigned int uart_write(const void *buf, unsigned int len)

此函數負責將要發送的數據寫入發送緩沖區，并開啟發送中斷：

• 通過 ring_buf_put() 將數據寫入 rbsend。

• 開啟 USART_IT_TXE 發送中斷。

• 返回實際寫入字節數。

由于發送在中斷中進行，所以只需觸發中斷即可自動依次發送緩沖區數據。

四、串口讀函數 uart_read

static unsigned int uart_read(void *buf, unsigned int len)

用于從接收緩沖區讀取數據：

• 通過 ring_buf_get() 從 rbrecv 中取出數據放入 buf。

• 返回實際讀取長度。

適用于非阻塞方式的讀取調用。

五、緩沖區狀態查詢函數

代碼中定義了以下緩沖區狀態查詢接口：

static bool tx_isfull(void);   // 判斷發送緩沖區是否滿bool tx_isempty(void);         // 判斷發送緩沖區是否為空bool rx_isempty(void);         // 判斷接收緩沖區是否為空

這些函數用于上層邏輯判斷是否可以繼續發送、是否有接收數據等，提升串口使用靈活性。

六、TTY 接口結構體封裝

串口驅動最終以一個結構體 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”統一管理多個串口。

七、串口中斷處理函數 USART1_IRQHandler

這是串口驅動的核心部分，負責響應 USART1 的收發中斷：

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據。

3. 存入接收緩沖區 rbrecv。

4. 發送中斷 TXE：

5. 從發送緩沖區 rbsend 中取出下一個字節發送。

6. 若無數據可發，關閉發送中斷。

7. 溢出錯誤中斷 ORE_RX：

8. 讀取一次數據清除溢出標志位。

通過中斷方式處理串口收發，不僅避免了阻塞操作，還能在高速數據傳輸中保持系統響應性。

八、總結

本驅動模塊實現了一個完整的串口通信功能，具備如下特點：

• 支持發送與接收雙緩沖。

• 使用中斷驅動方式收發數據。

• 提供狀態判斷接口，便于上層調用。

• 封裝為 tty_t 控制臺結構，支持模塊化應用。

其設計適用于嵌入式系統中多個串口同時工作的場景，也適合作為 CLI 控制臺、調試口或上位機通信口的底層驅動支撐。結合環形緩沖區，可有效避免數據丟失或阻塞，是一種常用、穩定的串口通信實現方式。

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 */static unsigned char txbuf[TTY_TXBUF_SIZE];         /*發送緩沖區 */static ring_buf_t rbsend, rbrecv;                   /*收發緩沖區管理*//*
 * @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));/*初始化環形緩沖區 */
    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	    向串口發送緩沖區內寫入數據并啟動發送
 * @param[in]   buf       -  數據緩存
 * @param[in]   len       -  數據長度
 * @return 	    實際寫入長度(如果此時緩沖區滿,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的數據
 * @param[in]   buf       -  數據緩存
 * @param[in]   len       -  數據長度
 * @return 	    (實際讀取長度)如果接收緩沖區的有效數據大于len則返回len否則返回緩沖
 *              區有效數據的長度
 */static unsigned int uart_read(void *buf, unsigned int len){    return ring_buf_get(&rbrecv, (unsigned char *)buf, len);
}/*發送緩沖區滿*/static bool tx_isfull(void){    return ring_buf_len(&rbsend) == TTY_TXBUF_SIZE;
}/*發送緩沖區空*/bool tx_isempty(void){    return ring_buf_len(&rbsend) == 0;
}/*接收緩沖區空*/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);           /*將數據放入接收緩沖區*/             
    }    if (USART_GetITStatus(USART1, USART_IT_TXE) != RESET) {        if (ring_buf_get(&rbsend, &data, 1))      /*從緩沖區中取出數據---*/
            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);        
    }
}