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原创 CVAVR生成的典型USART收发的接口程序

 2008-12-15 21:31  5096 13 13 分类: MCU/ 嵌入式

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。(下面是CodeVisionAVR修改成WINAVR后的程序,原来的程序请看底下给出的链界,在http://www.ouravr.com/的论坛里)

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

//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<<FE)

#define PARITY_ERROR (1<<PE) //M16

//#define PARITY_ERROR (1<<UPE) //M128

#define DATA_OVERRUN (1<<OVR)

#define DATA_REGISTER_EMPTY (1<<UDRE)

#define RX_COMPLETE (1<<RXC)

// 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 <avr/io.h>

#include <stdio.h>

#include <avr/interrupt.h>

#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<<URSEL) | 0x06;

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<<RXCIE)|(1<<TXCIE)|(1<<RXEN)|(1<<TXEN);

}

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

**** 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 <avr/io.h>

//#include <stdio.h>

#include <avr/interrupt.h>

#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 <mega16.h>

#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<<FE)

#define PARITY_ERROR (1<<UPE)

#define DATA_OVERRUN (1<<OVR)

#define DATA_REGISTER_EMPTY (1<<UDRE)

#define RX_COMPLETE (1<<RXC)

// 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 <stdio.h>

// 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

http://blog.csdn.net/zhiyu520/archive/2007/09/21/1795332.aspx原帖地址（一个大师）

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