基于 STM32F4 的串口通信驅動實現詳解（環形緩沖區版）
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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：
初始化收發緩沖區控制結構體。
打開 GPIOA 和 USART1 時鐘。
配置 USART1 的引腳復用功能（PA9 → TX，PA10 → RX）。
配置 GPIO 模式（復用模式，無上下拉）。
配置串口參數（波特率等）。
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：
接收中斷 RXNE：
從接收寄存器讀取數據。
存入接收緩沖區 rbrecv。
發送中斷 TXE：
從發送緩沖區 rbsend 中取出下一個字節發送。
若無數據可發，關閉發送中斷。
溢出錯誤中斷 ORE_RX：
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);
}
}
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