一個URAT（RS232）低層驅動 中間層軟件示例

一般教科書上提供的UART收發的程序往往是一段采用輪循（Polling）方式完成收發的簡單代碼。但對于高速的AVR來講，采用這種方式大大降低了MUC的效率。在使用AVR時，應根據芯片本身的特點（片內大容量數據存儲器RAM，更適合采用高級語言編寫系統程序），編寫高效可靠的UART收發接口（低層）程序。下面是一個典型的USART的接口程序。

#include

#define RXB8 1
#define TXB8 0
#define UPE 2
#define OVR 3
#define FE 4
#define UDRE 5
#define RXC 7

#define FRAMING_ERROR (1<#define PARITY_ERROR (1<#define DATA_OVERRUN (1<#define DATA_REGISTER_EMPTY (1<#define RX_COMPLETE (1<
// USART0 Receiver buffer
#define RX_BUFFER_SIZE0 8
char rx_buffer0[RX_BUFFER_SIZE0];
unsigned char rx_wr_index0,rx_rd_index0,rx_counter0;
// This flag is set on USART0 Receiver buffer overflow
bit rx_buffer_overflow0;

// USART0 Receiver interrupt service routine
#pragma savereg-
interrupt [USART0_RXC] void uart0_rx_isr(void)
{
char status,data;
#asm
push r26
push r27
push r30
push r31
inr26,sreg
push r26
#endasm
status=UCSR0A;
data=UDR0;
if ((status & (FRAMING_ERROR | PARITY_ERROR | DATA_OVERRUN))==0)
{
rx_buffer0[rx_wr_index0]=data;
if (++rx_wr_index0 == RX_BUFFER_SIZE0) rx_wr_index0=0;
if (++rx_counter0 == RX_BUFFER_SIZE0)
{
rx_counter0=0;
rx_buffer_overflow0=1;
};
};
#asm
popr26
outsreg,r26
popr31
popr30
popr27
popr26
#endasm
}
#pragma savereg+

#ifndef _DEBUG_TERMINAL_IO_
// Get a character from the USART0 Receiver buffer
#define _ALTERNATE_GETCHAR_
#pragma used+
char getchar(void)
{
char data;
while (rx_counter0==0);
data=rx_buffer0[rx_rd_index0];
if (++rx_rd_index0 == RX_BUFFER_SIZE0) rx_rd_index0=0;
#asm("cli")
--rx_counter0;
#asm("sei")
return data;
}
#pragma used-
#endif

// USART0 Transmitter buffer
#define TX_BUFFER_SIZE0 8
char tx_buffer0[TX_BUFFER_SIZE0];
unsigned char tx_wr_index0,tx_rd_index0,tx_counter0;

// USART0 Transmitter interrupt service routine
#pragma savereg-
interrupt [USART0_TXC] void uart0_tx_isr(void)
{
#asm
push r26
push r27
push r30
push r31
inr26,sreg
push r26
#edasm
if (tx_counter0)
{
--tx_counter0;
UDR0=tx_buffer0[tx_rd_index0];
if (++tx_rd_index0 == TX_BUFFER_SIZE0) tx_rd_index0=0;
};
#asm
popr26
outsreg,r26
popr31
popr30
popr27
popr26
#endasm
}
#pragma savereg+

#ifndef _DEBUG_TERMINAL_IO_
// Write a character to the USART0 Transmitter buffer
#define _ALTERNATE_PUTCHAR_
#pragma used+
void putchar(char c)
{
while (tx_counter0 == TX_BUFFER_SIZE0);
#asm("cli")
if (tx_counter0 || ((UCSR0A & DATA_REGISTER_EMPTY)==0))
{
tx_buffer0[tx_wr_index0]=c;
if (++tx_wr_index0 == TX_BUFFER_SIZE0) tx_wr_index0=0;
++tx_counter0;
}
else
UDR0=c;
#asm("sei")
}
#pragma used-
#endif

// Standard Input/Output functions
#include

// Declare your global variables here

void main(void)
{

// USART0 initialization
// Communication Parameters: 8 Data, 1 Stop, No Parity
// USART0 Receiver: On
// USART0 Transmitter: On
// USART0 Mode: Asynchronous
// USART0 Baud rate: 9600
UCSR0A=0x00;
UCSR0B=0xD8;
UCSR0C=0x06;
UBRR0H=0x00;
UBRR0L=0x67;

// Global enable interrupts
#asm("sei")

while (1)
{
// Place your code here

};
}

這段由CVAVR程序生成器產生的UART接口代碼是一個非常好的、高效可靠，并且值得認真學習和體會的。其特點如下：
l.它采用兩個8字節的接收和發送緩沖器來提高MCU的效率，如當主程序調用Putchar()發送數據時，如果UART口不空閑，就將數據放入發送緩沖器中，MCU不必等待，可以繼續執行其它的工作。而UART的硬件發送完一個數據后，產生中斷，由中斷服務程序負責將發送緩沖器中數據依次送出。
2.數據緩沖器結構是一個線性的循環隊列，由讀、寫和隊列計數器3個指針控制，用于判斷隊列是否空、溢出，以及當前數據在隊列中的位置。
3.用編譯控制命令#pragma savereg-和#pragma savereg+，使得由CVAVR在生成的中斷服務程序中不進行中斷保護（CVAVR生成中斷保護會將比較多的寄存器壓入堆棧中），而在中斷中嵌入匯編，只將5個在本中斷中必須要保護的寄存器壓棧。這樣提高了UART中斷處理的速度，也意味著提高了MCU的效率。
4.由于在接口程序Putchar()、Getchar()和中斷服務程序中都要對數據緩沖器的讀、寫和隊列計數器3個指針判斷和操作，為了防止沖突，在Putchar()、Getchar()中對3個指針操作時臨時將中斷關閉，提高了程序的可靠性。
建議讀者能逐字逐句地仔細分析該段代碼，真正理解和領會每一句語句（包括編譯控制命令的作用）的作用，從中體會和學習如何編寫效率高，可靠性好，結構優良的系統代碼。這段程序使用的方法和技巧，對編寫SPI、I2C的串行通信接口程序都是非常好的借鑒。
作為現在的單片機和嵌入式系統的工程師，不僅要深入全面的掌握芯片和各種器件的性能，具備豐富的硬件設計能力；同時也必須提高軟件的設計能力。要學習和掌握有關數據結構、操作系統、軟件工程、網絡協議等方面的知識，具有設計編寫大的復雜系統程序的能力。

USART應用實例
使用ATmega128實現一個工業設備的主控制板，它與由ATmega8管理的按鍵和LED顯示構成的控制面板距離在2米左右，兩者之間采用USART通信聯系。考慮到在實際應用中，倆者之間交換的數據很少，通信速度也不需要很高，重要的是保證通信的可靠和抗干擾，因此在硬件設計上采用電流環的連接方式，見圖5.4。
在圖中通信雙方采用光隔和三極管，將USART的電平變化變成電流變化后傳送連接，如同工業上使用的20mA電流環通信一樣，大大提高了通信的抗干擾能力。
通信協議和規程的制定：
l.通信速率采用2400bps（速率太高時電流環的變化會跟不上）。
2. 用戶數據包采用定長格式，每個數據包長度為6個字節，其中第1個字節是數據包起始字節0xBB，第6字節為數據包結束字節0xEE，其它為用戶命令、數據和系統狀態參數。
3.每次通信由A端發起，下發一個數據包；B端收到一個正確的數據包后，必須返回一個數據包應答。
4.A端下發一個數據包后，在300ms內沒有正確收到應答包時（在2400bps時傳送6個字節的時間約為30ms），將再次重發；3次重發均不能正確收到應答包則報警。
5.在系統正常工作時，A端每隔250ms下發一個數據包，B端如果在1s內沒有正確收到一個下發的數據包，將進入安全保護程序。
在這個應用實例中，USART接口的發送程序與前面給出的典型例程中的一樣，而對USART的接收程序進行了改動和簡化，使其更加符合在本系統中使用。

#define UART_BEGIN_STX0xBB
#define UART_END_STX0xEE
#define RX_BUFFER_SIZE06

char rx_buffer0[RX_BUFFER_SIZE0];
unsigned char rx_counter;
bit Uart_RecvFlag

// USART Receiver interrupt service routine
#pragma savereg-
interrupt [USART_RXC] void uart_rx_isr(void)
{
unsigned char status,data;
#asm
push r26
push r27
push r30
push r31
inr26,sreg
push r26
#endasm

status=UCSRA;
data=UDR;
if ((status & (FRAMING_ERROR | PARITY_ERROR | DATA_OVERRUN))==0)
{
if (!Uart_RecvFlag)
{
rx_buffer[rx_counter] = data;
switch (rx_counter)
{
case 0:
if (data == UART_BEGIN_STX)rx_counter = 1;
break;
case 1:
case 2:
case 3:
case 4:
rx_counter++;
break;
case 5:
rx_counter = 0;
if (data == UART_END_STX)Uart_RecvFlag = 1;
break;
}
}
}
else
rx_counter = 0;

#asm
popr26
outsreg,r26
popr31
popr30
popr27
popr26
#endasm
}
#pragma savereg+
…………
void main(void)
{
while(1)
{
if (Uart_RecvFlag)
{
…………//處理收到的數據包
Uart_RecvFlag = 0;//允許USART接受新的數據包
}
…………//處理其它任務
}
}

在這段代碼中，接收中斷服務程序直接對數據包的起始字符和結束字符進行判斷，并完成對整個數據包的接收。當接收到正確的6個字符的數據包后，將“Uart_RecvFlag”標志置位，通知上層程序處理收到的數據。一旦“Uart_RecvFlag”標志置位后，中斷服務程序將不再接收新的數據（放棄掉收到的字節），使得數據緩沖區不會溢出。
上層程序的設計，應保證以200ms左右的間隔對“Uart_RecvFlag”標志位進行一次判斷。一旦判斷“Uart_RecvFlag”標志置位后，馬上進行處理，回送應答數據。處理完后將“Uart_RecvFlag”標志清除，允許USART接收新的數據包。
還可以考慮在數據包中增加“數據包編號”和“數據校驗”2個字節，以進一步提高通信的可靠性。