单片机串口 物理缓存

单片机串口物理缓存

在单片机系统中，串口通信是实现设备间数据传输的重要手段，而串口物理缓存作为串口通信中的关键组成部分，对于数据的临时存储和传输起着至关重要的作用，本文将详细探讨单片机串口物理缓存的相关内容，包括其定义、作用、常见类型、操作方式以及在不同单片机中的具体实现等方面。

单片机串口物理缓存的定义与作用

单片机串口物理缓存是指用于暂时存储串口接收和发送数据的寄存器或存储区域，在串口通信过程中，数据的发送和接收是逐位进行的，但CPU处理数据的速度相对较快，为了协调两者之间的速度差异，提高通信效率,就需要引入物理缓存。

其主要作用包括：

• 缓冲数据：在发送数据时，CPU将待发送的数据写入发送缓存，然后串口按照设定的波特率逐位发送数据，此时CPU可以继续执行其他任务，而不会因为等待数据发送完成而被阻塞，同样，在接收数据时，串口将接收到的数据先存入接收缓存，CPU可以在合适的时候从缓存中读取数据进行处理,避免了因接收数据过快而导致数据丢失的情况。
• 提高系统效率：通过缓存机制，使得串口通信和CPU的处理能够相对独立地进行，大大提高了整个系统的运行效率，在多任务操作系统中，多个任务可以同时进行串口通信，而不会相互干扰,这得益于物理缓存对数据的暂存和缓冲作用。
• 解决速度匹配问题：不同设备之间的串口通信可能存在速度差异，物理缓存可以在一定程度上缓解这种差异带来的影响，当高速设备向低速设备发送数据时，发送缓存可以存储一定量的数据，使得高速设备无需等待低速设备的响应即可继续发送后续数据；反之，当低速设备向高速设备发送数据时,接收缓存可以保证数据不会因为高速设备的快速处理而被覆盖或丢失。

单片机串口物理缓存的常见类型

根据不同的单片机架构和应用场景，串口物理缓存可以分为多种类型,常见的有以下几种：

单片机串口物理缓存的操作方式

以常见的51单片机为例,其串口物理缓存的操作主要涉及到以下几个特殊功能寄存器：

• SBUF（Serial Buffer）寄存器：这是一个可以直接寻址的专用寄存器，物理上对应着两个寄存器，即一个发送寄存器和一个接收寄存器，当CPU写SBUF时，数据被写入发送寄存器；当CPU读SBUF时，读出的是接收寄存器中的数据，在发送数据时，可以通过赋值语句SBUF = data;将待发送的数据写入发送缓存；在接收数据时，通过data = SBUF;从接收缓存中读取数据。
• SCON（Serial Control）寄存器：该寄存器的各位用于控制串口的工作方式和状态，SM0和SM1用于选择串口的工作方式，REN位用于控制是否允许串行接收，TB8和RB8用于在方式2或3下发送和接收数据的第9位，TI和RI分别是发送中断标志位和接收中断标志位，在初始化串口时，需要根据具体的应用需求对SCON寄存器进行配置，设置串口工作方式为模式1，允许接收，并开启相应的中断，可以使用如下代码：SCON = 0x50;（假设初始状态下其他位为默认值）。
• PCON（Power Control）寄存器：主要用于管理单片机的电源部分，但在串口通信中，我们通常只关注其SMOD位，当SMOD = 0且串口方式为1、2、3时，波特率正常；当SMOD = 1且串口方式为1、2、3时，波特率加倍，要使串口波特率加倍，可以将PCON寄存器的SMOD位置1：PCON |= 0x80;

在实际编程中，一般需要先对串口进行初始化，包括设置波特率、工作方式、开启中断等操作，然后再进行数据的发送和接收,以下是一个简单的51单片机串口初始化和数据发送的示例代码：

#include <reg51.h>
void init_uart() {
    TMOD = 0x20;    // 定时器1工作方式2
    TH1 = 0xFD;     // 波特率9600（假设晶振为11.0592MHz）
    TL1 = 0xFD;
    TR1 = 1;        // 启动定时器1
    SCON = 0x50;    // 串口工作方式1，允许接收
    ES = 1;         // 开启串口中断
    EA = 1;         // 开启总中断
}
void send_byte(unsigned char byte) {
    SBUF = byte;
    while (!TI);    // 等待发送完成
    TI = 0;         // 清除发送中断标志位
}
void main() {
    init_uart();
    while (1) {
        send_byte('A'); // 发送字符'A'
    }
}

在这个示例中，首先调用init_uart函数对串口进行初始化，设置了定时器1的工作方式、波特率、串口工作方式等参数，并开启了串口中断和总中断，然后在主函数中通过send_byte函数不断地发送字符’A’，在send_byte函数中，将待发送的数据写入SBUF寄存器，然后通过循环等待TI标志位变为1，表示数据发送完成，最后清除TI标志位,以便下一次发送。

不同单片机中串口物理缓存的实现差异

除了51单片机外，还有其他多种类型的单片机，如AVR单片机、STM32单片机等,它们在串口物理缓存的实现上可能会存在一些差异。

• AVR单片机：AVR单片机的串口物理缓存也是通过类似的寄存器来实现的，但具体的寄存器名称和配置方式可能会有所不同，在AVR单片机中，发送数据时通常使用UDR寄存器，接收数据时也从UDR寄存器中读取，AVR单片机的串口配置更加灵活，可以通过设置相关的寄存器来选择不同的波特率、数据位、停止位等参数。
• STM32单片机：STM32单片机作为一种高性能的嵌入式微控制器，其串口物理缓存的实现相对复杂一些，它通常具有多个串口外设，每个串口外设都有自己的发送和接收缓存，并且可以通过DMA（直接内存访问）等方式实现高效的数据传输，在STM32中，串口的配置和操作通常是通过专门的库函数来进行的，这样可以简化开发过程,提高代码的可移植性和可维护性。

单片机串口物理缓存的应用实例

以下是一个简单的应用实例,展示了如何利用单片机串口物理缓存实现两个单片机之间的数据传输。

假设有两个51单片机，分别为甲机和乙机，甲机作为发送方，负责将一组数据发送给乙机；乙机作为接收方,接收甲机发送的数据并进行显示。

甲机程序（发送方）：

#include <reg51.h>
#define DATA_LENGTH 10
unsigned char data_buffer[DATA_LENGTH] = {'H', 'e', 'l', 'l', 'o', 'W', 'o', 'r', 'l', 'd'};
void init_uart() {
    TMOD = 0x20;    // 定时器1工作方式2
    TH1 = 0xFD;     // 波特率9600（假设晶振为11.0592MHz）
    TL1 = 0xFD;
    TR1 = 1;        // 启动定时器1
    SCON = 0x50;    // 串口工作方式1，允许接收
    ES = 1;         // 开启串口中断
    EA = 1;         // 开启总中断
}
void send_byte(unsigned char byte) {
    SBUF = byte;
    while (!TI);    // 等待发送完成
    TI = 0;         // 清除发送中断标志位
}
void main() {
    init_uart();
    unsigned char i;
    while (1) {
        for (i = 0; i < DATA_LENGTH; i++) {
            send_byte(data_buffer[i]);
        }
    }
}

乙机程序（接收方）：

#include <reg51.h>
#define DATA_LENGTH 10
unsigned char received_data[DATA_LENGTH];
unsigned char received_count = 0;
void init_uart() {
    TMOD = 0x20;    // 定时器1工作方式2
    TH1 = 0xFD;     // 波特率9600（假设晶振为11.0592MHz）
    TL1 = 0xFD;
    TR1 = 1;        // 启动定时器1
    SCON = 0x50;    // 串口工作方式1，允许接收
    ES = 1;         // 开启串口中断
    EA = 1;         // 开启总中断
}
void usart_interrupt() interrupt 4 {
    if (RI) {        // 接收中断
        RI = 0;       // 清除接收中断标志位
        received_data[received_count++] = SBUF;
        if (received_count >= DATA_LENGTH) {
            // 数据接收完成，可以进行后续处理，这里简单地将接收到的数据再发送回去
            unsigned char i;
            for (i = 0; i < DATA_LENGTH; i++) {
                SBUF = received_data[i];
                while (!TI);    // 等待发送完成
                TI = 0;         // 清除发送中断标志位
            }
            received_count = 0; // 重置接收计数器
        }
    }
}
void main() {
    init_uart();
    while (1) {
        // 主程序中可以执行其他任务
    }
}

在这个实例中，甲机通过循环将一组数据逐个字节地发送给乙机，乙机在接收到数据后，将其存储在received_data数组中，并在接收完所有数据后，将接收到的数据再发送回甲机，通过这种方式，实现了两个单片机之间的简单数据传输，在这个过程中，单片机的串口物理缓存起到了临时存储数据的作用,保证了数据的准确传输。

单片机串口物理缓存是串口通信中不可或缺的一部分，它通过暂存数据解决了CPU处理速度与串口传输速度之间的不匹配问题，提高了通信效率和系统的可靠性，不同类型的单片机在串口物理缓存的实现上可能会有所差异，但基本原理是相似的，在实际应用中，我们需要根据具体的单片机型号和应用需求，合理地配置和使用串口物理缓存,以实现高效、