AVR單片機教程——串口發送

到目前爲止，咱們的開發板只能處理很小量的數據：讀取幾個引腳電平，輸出幾個LED，頂多用數碼管顯示一個兩位數字。至於輸入一個指令、輸出一條調試信息，甚至用scanf和printf來輸入輸出，在已經接觸過的這些器件上是不可思議的。而本講「串口發送」與下一講「串口接收」，將打開這一扇大門。

硬件

本講的主題是UART（Universal Asynchronous Receiver-Transmitter，通用異步收發器），俗稱串口。實際上串口是串行接口的統稱，在單片機領域一般指UART。「串行」的意思是每次傳輸一個bit，而一個字節的數據被拆成8個bit傳輸；相比之下並行總線能夠一次傳輸一個或多個字節（這並不意味着並行總線必定優於串行總線）。

AVR單片機提供的硬件組件不是UART，而是USART（S表明Synchronous，同步的），相比UART額外支持同步通訊。所謂「同步」是指收發雙方經過時鐘同步，「異步」是指沒有時鐘來同步，但實際上雙方仍是由一些特殊信號同步的。

數據在UART總線上以「幀（frame）」爲單位發送，以下圖所示，帶有方括號的位是可選的。

一幀包含一個起始位、5~9個數據位（經常使用8位；不少設備不支持9位）、可選的一個校驗位（偶校驗或奇校驗，即全部數據位與0或1的異或結果）與1或2個終止位。起始位與終止位統稱爲同步位，用於在異步總線上起到同步的做用，這樣接收方纔能知道一幀什麼時候開始。

波特率的定義是信息在通訊信道上傳輸的速率。假如信號線上的波形容許1秒有9600個方框（方框表示高電平或低電平，實際電平是其中一個），那麼波特率就是9600。經常使用的波特率有9600與115200（打開Serial Port Utility或相似軟件，可選的波特率都是經常使用的）。

在開始通訊以前，收發雙方必須約定好波特率與幀格式。uart_init函數的配置是波特率38400，8數據位，偶校驗，1中止位。相應地在電腦的串口調試軟件中也要這樣配置。

軟件

因爲printf是變參函數，不是很安全（若是格式串和參數對應錯，程序可能直接跑飛），我傾向於使用類型安全的函數，即函數經過C的句法知道實參類型（寫錯就編譯錯誤，而不是經過編譯器沒法檢測的格式串）。不過，avr-gcc的<stdio.h>中仍是提供了printf等函數，你能夠瞭解一下。

庫中提供的發送函數都是同步阻塞的，即等待硬件組件把數據所有發送完，函數才返回。這裏的「同步」與剛纔的「異步總線」所指是不一樣的。關於「同步」與「異步」、「阻塞」與「非阻塞」的概念，能夠參考：怎樣理解阻塞非阻塞與同步異步的區別？

不難計算，總線發送一個字節的時間是幾千個CPU週期，CPU會浪費大量時間在無用的等待上。這個問題直到咱們講到中斷纔會解決（也許我會把它封裝起來放進庫）。

實例

咱們來寫一個用串口發送按鍵與撥動開關信息的程序。若是你會相關的C#編程，就可讓電腦響應按鍵事件。

#include <ee1/delay.h>
#include <ee1/button.h>
#include <ee1/switch.h>
#include <ee1/uart.h>

int main(void)
{
    button_init(PIN_6, PIN_7);
    switch_init(PIN_4, PIN_5);
    uart_init(UART_TX);
    uart_print_string("start\n");
    while (1)
    {
        for (uint8_t i = 0; i != BUTTON_COUNT; ++i)
            if (button_pressed(i))
            {
                uart_print_string("button ");
                uart_print_int(i);
                uart_print_string("\n");
            }
        for (uint8_t i = 0; i != SWITCH_COUNT; ++i)
            if (switch_changed(i))
            {
                uart_print_string("switch ");
                uart_print_int(i);
                uart_print_string(switch_status(i) ? " on\n" : " off\n");
            }
        delay(1);
    }
}

程序首先將UART初始化爲發送模式（UART_TX），而後打印"start"。在間隔一毫秒的循環中（實際上串口發送的時間遠長於一毫秒，由於是阻塞的），程序檢測每個按鍵與開關的動做，若是有則發送相應數據。

用printf一行就能解決的操做這裏須要三行才能完成，這就是權衡吧。

做業

1. 基於uart_print_char，實現my_print_int函數，在串口上打印一個int類型整數（在avr-gcc中，int類型默認是16位寬度；注意負號和0；你能夠了解一下itoa，儘管它是非標準的）。

2. 將旋轉編碼器的數據經過串口傳輸給電腦。將原始數據（pin_read或rotary_status）與處理後的數據（rotary_rotated）一同打印，你能夠更直觀地感覺數據處理的過程。