CVAVR生成的典型USART收发的接口程序

一般教科书上提供的UART收发的程序往往是一段采用轮循（Polling）方式完成收发的简单代码。但对于高速的AVR来讲，采用这种方式大大降低了MUC的效率。在使用AVR时，应根据芯片本身的特点（片内大容量数据存储器RAM，更适合采用高级语言编写系统程序），编写高效可靠的UART收发接口（低层）程序。下面是一个典型的USART的接口程序。

//usart.h

//常量定义

#define BAUDRATE        9600    //波特率

//#define F_CPU            4000000  //晶振频率4.0MHz

#define RXB8 1

#define TXB8 0

#define PE 2    //M16

//#define UPE 2    //M128

#define OVR 3

#define FE 4

#define UDRE 5

#define RXC 7

//宏定义

#define FRAMING_ERROR (1<

#define PARITY_ERROR (1<

//#define PARITY_ERROR (1<

#define DATA_OVERRUN (1<

#define DATA_REGISTER_EMPTY (1<

#define RX_COMPLETE (1<

// USART Receiver buffer

// 全局变量,会在中断服务程序中被修改，须加volatile限定，不要就会出错啦

#define RX_BUFFER_SIZE 16         // 接收缓冲区大小，可根据需要修改

volatile char rx_buffer[RX_BUFFER_SIZE]; // 接收缓冲区，为char型变量组成的数组，该数组构成环形队列，个数为RX_BUFFER_SIZE 

volatile unsigned char rx_wr_index,rx_rd_index,rx_counter;

// This flag is set on USART Receiver buffer overflow

volatile char rx_buffer_overflow;   //接收缓冲区溢出标志

// USART Transmitter buffer

#define TX_BUFFER_SIZE 16

volatile char tx_buffer[TX_BUFFER_SIZE];

volatile unsigned char tx_wr_index,tx_rd_index,tx_counter;

// 函数声明

char get_c(void);

void put_c(char c);

void put_s(char *ptr);

void init_USART(void);

//usart.c

#include

#include

#include

#include "usart.h"

/*接收中断*/

ISR(USART_RXC_vect)

{

    char status,data;

    status=UCSRA;     //读取接收状态标志位，必须先读，当读了UDR后，UCSRA便自动清零了  

    data=UDR;         //读取USART数据寄存器，这句与上句位置不能颠倒的

    if ((status & (FRAMING_ERROR | PARITY_ERROR | DATA_OVERRUN))==0)     //判断本接收到的数据是否有数据帧、校验或数据溢出错误（此处指USART的硬件接收溢出）

       {

           rx_buffer[rx_wr_index]=data;   // 将数据填充到接收缓冲队列中

           if (++rx_wr_index == RX_BUFFER_SIZE)    //写指针指向下一个单元，并判断是否到了队列的尾部，（不表示接受缓冲区是否满！）

               rx_wr_index=0;  //到了尾部，则指向头部（构成环状）

           if (++rx_counter == RX_BUFFER_SIZE)     //队列中收到字符加1，并判断是否队列已满 

          {

              rx_counter=0;   // 队列满了，队列中收到字符个数为0，表示队列中所有以前的数据作废，因为最后的数据已经把最前边的数据覆盖了

              rx_buffer_overflow=1;        //置缓冲区溢出标志。在主程序中必要的地方需要判断该标志，以证明读到数据的完整性

          };

       };

}

/*接收单个字符*/

char get_c(void)

{

    char data;

    while (rx_counter==0);             //接收数据队列中没有数据可以读取，等待......（注2）

    data=rx_buffer[rx_rd_index];       //读取缓冲队列中的数据

    if (++rx_rd_index == RX_BUFFER_SIZE) rx_rd_index=0;     //读取指针指向下一个未读的数据，如果指到了队列尾部，则指回到队列头步

    cli();    // 关中断！非常重要

    --rx_counter;  //队列中未读数据个数减1。因为该变量在接收中断中要改变的，为了防止冲突，所以改动前临时关闭中断。程序相当可靠了。

    sei();    // 开中断

    return data;

}

//发送中断

ISR(USART_TXC_vect)

{

    if (tx_counter)

    {

           --tx_counter;

           UDR=tx_buffer[tx_rd_index];

           if (++tx_rd_index == TX_BUFFER_SIZE) tx_rd_index=0;

    }; 

}

/*发送单个字符*/

void put_c(char c)

{

    while (tx_counter == TX_BUFFER_SIZE);   //发送数据队列中还有数据没有发送完，等待

    cli();

    if (tx_counter || ((UCSRA & DATA_REGISTER_EMPTY)==0))    //若发送数据队列有数据或者数据寄存器UDR非空时执行(因为队列先进先出的原因，所以，c要放进非空的发送数据队列里面)

       {

           tx_buffer[tx_wr_index]=c;

           if (++tx_wr_index == TX_BUFFER_SIZE) tx_wr_index=0;

           ++tx_counter;

       }

    else

           UDR=c;

    sei();

}

/*发送字符串*/

void put_s(char *ptr)

{

    while (*ptr)

    {

        put_c(*ptr++);

    }

    put_c(0x0D);

    put_c(0x0A);  //结尾发送回车换行

}

/*USART 初始化*/

void init_USART(void)

{

    //USART 9600 8, n,1  PC上位机软件(超级终端等)也要设成同样的设置才能通讯

    UCSRC = (1<

    UBRRL= (F_CPU/BAUDRATE/16-1)%256;

    UBRRH= (F_CPU/BAUDRATE/16-1)/256;

    UCSRA = 0x00;

    //接收使能，发送使能，接收中断使能，发送中断使能

    UCSRB=(1<

}

/***********************************************

**** 名  称：AVR USART（RS232）低层驱动+中间层软件示例        

****                                          

**** 作  者：zhiyu                       

**** 编译器：WINAVR20070525                   

****                                         

**** 参  考：http://www.ouravr.com/bbs/bbs_content.jsp?mother_form=bbs_content.jsp&bbs_id=1000&bbs_page_no=1&bbs_sn=147242

             《高档8位单片机ATmega128原理与开发应用指南（上）》--马潮  P320

             《嵌入式C编程与ATMEL AVR》-- 国外计算机经典教材 P141

**** 日  期：2007.07.19

****

**** 芯  片：M16L

**** 时钟源：外部4M晶振

****

**** 结  果：测试成功

**** 问  题：暂无

***********************************************/

//#include

//#include

#include

#include "usart.h"

int main(void)

{

    init_USART();

    sei();    //总中断允许

    put_s("Hello！");

    put_s("这是一个简单的高速的串口驱动程序");

    put_s("请你输入任意的字符，单片机将返回你输入的字符");

    while (1)

    {

        put_c(get_c());

    }

}

//Makefile,主要的几项,只是针对我这里的程序,要灵活运用哦

MCU = atmega16

F_CPU = 4000000

TARGET = main

SRC = $(TARGET).c usart.c   //多文件编译才会用到这一项，可以参考这个帖子:

http://www.mcublog.com/blog/user1/4266/archives/2006/6145.html

*****************************************************/

 这段由CVAVR程序生成器产生的UART接口代码是一个非常好的、高效可靠，并且值得认真学习和体会的。其特点如下： 

   l.它采用两个8字节的接收和发送缓冲器来提高MCU的效率.当主程序调用getchar()函数时,按顺序执行到while (rx_counter==0)处,接收数据队列里面就没有数据,如果再没有数据输入,那么就只能死在那里等待.如果有数据输入的话,中断很快就响应,数据就会迅速地填充接收数据队列,rx_counter!=0,这个死等待也就给瓦解了,让程序执行接下来的那句data=rx_buffer[rx_rd_index]了.最后return data;,返回输入的值;如当主程序调用Putchar()发送数据时，如果UART口不空闲，就将数据放入发送缓冲器中，MCU不必等待，可以继续执行其它的工作。而UART的硬件发送完一个数据后，产生中断，由中断服务程序负责将发送缓冲器中数据依次自动送出。

C语言书本里有其中一段:

      getchar()函数(字符输入函数)的作用是从终端(或系统隐含指定的输入设备)输入一个字符.getchar()函数没有参数.当你输入一个字符时候,比如'a'后,要按'Enter'键,字符才能送到内存!你一旦按了这个'Enter',上面的程序就会执行中断响应了,

   2.数据缓冲器结构是一个线性的循环队列，由读、写和队列计数器3个指针控制，用于判断队列是否空、溢出，以及当前数据在队列中的位置。 

   3.用编译控制命令#pragma savereg-和#pragma savereg+，使得由CVAVR在生成的中断服务程序中不进行中断保护（CVAVR生成中断保护会将比较多的寄存器压入堆栈中），而在中断中嵌入汇编，只将5个在本中断中必须要保护的寄存器压栈。这样提高了UART中断处理的速度，也意味着提高了MCU的效率。 

   4.由于在接口程序Putchar()、Getchar()和中断服务程序中都要对数据缓冲器的读、写和队列计数器3个指针判断和操作，为了防止冲突，在Putchar()、Getchar()中对3个指针操作时临时将中断关闭，提高了程序的可靠性。 

    建议读者能逐字逐句地仔细分析该段代码，真正理解和领会每一句语句（包括编译控制命令的作用）的作用，从中体会和学习如何编写效率高，可靠性好，结构优良的系统代码。这段程序使用的方法和技巧，对编写SPI、I2C的串行通信接口程序都是非常好的借鉴。 

    作为现在的单片机和嵌入式系统的工程师，不仅要深入全面的掌握芯片和各种器件的性能，具备丰富的硬件设计能力；同时也必须提高软件的设计能力。要学习和掌握有关数据结构、操作系统、软件工程、网络协议等方面的知识，具有设计编写大的复杂系统程序的能力。 

/*=================================================

链接: http://www.ouravr.com/bbs/bbs_content.jsp?bbs_sn=147242&bbs_page_no=1&sub_kind_id=1430&bbs_id=1000

http://www2.ouravr.com/bbs/bbs_content.jsp? mother_form=bbs_content.jsp&bbs_id=1000&bbs_page_no=1&bbs_sn=528742

http://bbs.avrvi.com/simple/index.php?t3193.html

书籍: 高档8位单片机ATmega128原理与开发应用指南(上) P320

         嵌入式C编程与Atmel AVR P141 第三章 标准I/O和预处理函数 (网上有这本电子书的下载)

下面是马潮老师的说法:

在CVAVR系统提供的标准库函数stdio.h中，提供了getchar()函数，该函数是采用轮询方式从USART接收数据的，轮询方式不仅效率低，而且会丢失数据，不能实现多任务的并行处理。

CVAVR程序向导中给出的采用中断+缓冲的方式接受数据，同PC的串口接收数据的方法一样，充分利用了AVR的高速和RAM多的优点，体现出了如何才能充分发挥AVR的特点的程序设计思想，这种思路在32位系统中也是这样的。

使用AVR的话，对软件的设计能力要求更高了，否则根本不能发挥和体现AVR的特点。许多人有了一点C的基础，就认为采用C编写单片机程序没问题，很快就会掌握AVR了，对此我只能一笑了之。看看本站上众多的代码，再看看本贴的遭遇，能说什么呢？

还有,你可以参考一下这里的链接:http://www.iccavr.com/forum/dispbbs.asp?boardID=2&ID=2249&page=1这人朋友些得不错,主要是因为:

#define RX_BUFFER_SIZE0 8 //收件箱的长度

unsigned char rx_buffer0[RX_BUFFER_SIZE0];   //收信箱

unsigned char rx_wr_index0;   //收信箱写指针

unsigned char rx_rd_index0;   //收信箱读指针

unsigned char rx_counter0;    //收信箱存量

unsigned char rx_buffer_overflow0;  //收信箱满标志位

这样的比喻不是很好理解了吗,你要是脑子发散一点,会不会想到操作系统里面的"管道"的概念呢,其实现在我也没具体去看这东西,不过也会有些相通的地方吧.

回到本题： 

注1： 

如果在程序的开头部分加上语句 

#define _DEBUG_TERMINAL_IO_ 

那么程序在编译时仍使用系统自己的getchar()函数，这样在软件模拟仿真时，可以从模拟的终端读取数据，便于在软件模拟环境中调试整个系统，而需要正式运行时，则把该句注释掉。 

注2： 

此处在正式应用中应根据实际情况做适当的修改。否则当主程序调用getchar()时，如果缓冲队列中没有数据，同时对方也没有发数据的情况时，程序会在此死循环。 

比较简单的办法是将这句删掉，而在调用getchar()函数前先判断rx_counter的值，为0的话就不调用了。 

或改为： 

  signed int getchar(void)  

  {  

    signed int data;  

    if (rx_counter == 0) 

    { 

        data = -1;     

    } 

    else 

    { 

        data=rx_buffer[rx_rd_index];   //读取缓冲队列中的数据  

        if (++rx_rd_index == RX_BUFFER_SIZE) rx_rd_index=0;  //读取指针指向下一个未读的数据，如果指到了队列尾部，则指回到队列头步  

        #asm("cli")      // 关中断！非常重要                                               

        --rx_counter;    //队列中未读数据个数减1。因为该变量在接收中断中要改变的，为了防止冲突，所以改动前临时关闭中断。程序相当可靠了。  

        #asm("sei")      // 开中断 

    } 

    return data;  

} 

注3： 

有兴趣希望深入实在学习的网友，可将CVAVR生成的USART发送代码仔细分析以下。它的发送代码非常完美，可以马上使用。 

思考分析：

#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<

// USART Transmitter buffer 

#define TX_BUFFER_SIZE 8 

char tx_buffer[TX_BUFFER_SIZE]; 

#if TX_BUFFER_SIZE<256 

unsigned char tx_wr_index,tx_rd_index,tx_counter; 

#else 

unsigned int tx_wr_index,tx_rd_index,tx_counter; 

#endif 

// USART Transmitter interrupt service routine 

interrupt [USART_TXC] void usart_tx_isr(void) 

{ 

if (tx_counter) 

   { 

   --tx_counter; 

   UDR=tx_buffer[tx_rd_index]; 

   if (++tx_rd_index == TX_BUFFER_SIZE) tx_rd_index=0; 

   }; 

} 

#ifndef _DEBUG_TERMINAL_IO_ 

// Write a character to the USART Transmitter buffer 

#define _ALTERNATE_PUTCHAR_ 

#pragma used+ 

void putchar(char c) 

{ 

while (tx_counter == TX_BUFFER_SIZE); 

#asm("cli") 

if (tx_counter || ((UCSRA & DATA_REGISTER_EMPTY)==0)) 

   { 

   tx_buffer[tx_wr_index]=c; 

   if (++tx_wr_index == TX_BUFFER_SIZE) tx_wr_index=0; 

   ++tx_counter; 

   } 

else 

   UDR=c; 

#asm("sei") 

} 

#pragma used- 

#endif 

// Standard Input/Output functions 

#include  

// Declare your global variables here 

void main(void) 

{ 

// Declare your local variables here 

// Input/Output Ports initialization 

// Port A initialization 

// Func7=In Func6=In Func5=In Func4=In Func3=In Func2=In Func1=In Func0=In  

// State7=T State6=T State5=T State4=T State3=T State2=T State1=T State0=T  

PORTA=0x00; 

DDRA=0x00; 

// Port B initialization 

// Func7=In Func6=In Func5=In Func4=In Func3=In Func2=In Func1=In Func0=In  

// State7=T State6=T State5=T State4=T State3=T State2=T State1=T State0=T  

PORTB=0x00; 

DDRB=0x00; 

// Port C initialization 

// Func7=In Func6=In Func5=In Func4=In Func3=In Func2=In Func1=In Func0=In  

// State7=T State6=T State5=T State4=T State3=T State2=T State1=T State0=T  

PORTC=0x00; 

DDRC=0x00; 

// Port D initialization 

// Func7=In Func6=In Func5=In Func4=In Func3=In Func2=In Func1=In Func0=In  

// State7=T State6=T State5=T State4=T State3=T State2=T State1=T State0=T  

PORTD=0x00; 

DDRD=0x00; 

// Timer/Counter 0 initialization 

// Clock source: System Clock 

// Clock value: Timer 0 Stopped 

// Mode: Normal top=FFh 

// OC0 output: Disconnected 

TCCR0=0x00; 

TCNT0=0x00; 

OCR0=0x00; 

// Timer/Counter 1 initialization 

// Clock source: System Clock 

// Clock value: Timer 1 Stopped 

// Mode: Normal top=FFFFh 

// OC1A output: Discon. 

// OC1B output: Discon. 

// Noise Canceler: Off 

// Input Capture on Falling Edge 

// Timer 1 Overflow Interrupt: Off 

// Input Capture Interrupt: Off 

// Compare A Match Interrupt: Off 

// Compare B Match Interrupt: Off 

TCCR1A=0x00; 

TCCR1B=0x00; 

TCNT1H=0x00; 

TCNT1L=0x00; 

ICR1H=0x00; 

ICR1L=0x00; 

OCR1AH=0x00; 

OCR1AL=0x00; 

OCR1BH=0x00; 

OCR1BL=0x00; 

// Timer/Counter 2 initialization 

// Clock source: System Clock 

// Clock value: Timer 2 S