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串口通信学习

news 2025/8/13 15:13:49

不需要校验位就选8位，需要校验位就选9位！

USRT

USART框图

STM32的外设引脚

这是USART的基本结构。

数据帧，八位是

这个公式还是很重要的！

如果在编辑器里面使用printf打印汉字的话，会出现乱码的话，前提是你的编码格式使用的UTF8，就在keil5里面这里加上这个--no-multibyte-chars

HEX 数据包这个概念在不同领域有不同的含义，但核心思想是一样的：
它指的是用十六进制（Hexadecimal）形式表示的一个数据包，数据包包含通信所需的头部、数据区和校验等信息。

1.“HEX”是什么意思？

HEX 是 十六进制 的缩写。
在计算机和嵌入式通信中，二进制数据通常用十六进制表示，因为它更简洁、人类更容易阅读。
例如：
- 二进制：1010 1111
- 十六进制：0xAF

2.“数据包”是什么意思？

数据包（Data Packet）是通信双方传输的完整数据单元。
一个数据包通常包含：
1. 帧头 / 起始标志（Start Byte / Header）
  用来标识一个包的开始，例如 0xAA 0x55
2. 长度字段（Length）
  表示数据区的字节数
3. 命令字 / 功能码（Command）
  表示这个包的用途（如读取、写入、状态查询）
4. 数据区（Data）
  实际要传输的内容
5. 校验码（Checksum / CRC）
  用来检测数据是否损坏
6. 帧尾 / 结束标志（End Byte）
  表示包的结束（可选）

3.HEX 数据包的定义示例

假设我们设计一个用于串口通信的 HEX 数据包格式：

[0]   帧头1         1 byte    固定为 0xAA
[1]   帧头2         1 byte    固定为 0x55
[2]   长度           1 byte    数据区+命令字的总长度
[3]   命令字         1 byte    例如 0x01 表示读取数据
[4..n]数据区         N byte    实际数据
[n+1] 校验码         1 byte    所有字节异或和或 CRC
[n+2] 帧尾           1 byte    固定为 0x0D

举例：

AA 55 04 01 10 20 35 0D

AA 55 帧头
04 长度（后面 4 个字节：01 10 20 35）
01 命令字（读取数据）
10 20 数据区（两个字节的数据）
35 校验码
0D 帧尾

4. 为什么要用 HEX 表示数据包？

可读性好
十六进制每两个字符正好表示一个字节
方便调试
串口调试助手、逻辑分析仪等都用 HEX 格式
跨平台兼容
HEX 表示的是原始二进制，不受编码格式影响

文本数据包（Text Data Packet）指的是以文本形式（可读字符）来组织和传输的一个完整数据单元，它和 HEX 数据包最大的区别是：

HEX 数据包里每个字节是二进制，调试时常用十六进制显示
文本数据包直接用可见字符（ASCII/UTF-8等编码）表示内容，例如 "TEMP=25.6;HUM=78%\n"

1.文本数据包的核心定义

一个文本数据包一般包含以下部分：

起始标志（Start Flag）
- 用于标识数据包的开始
- 例如 "$$", "<START>", "#"
数据内容（Payload / Body）
- 全部是可见字符（字母、数字、符号）
- 一般使用分隔符分割字段，例如 ,、;、| 或空格
结束标志（End Flag）
- 表示数据包结束
- 常用 \n（换行符）、\r\n（回车换行）、"<END>" 等
可选校验（Checksum）
- 校验可以直接用十进制数字或十六进制字符串表示
- 放在数据末尾，方便检测数据完整性

2. 文本数据包示例

串口发送传感器数据

$TEMP=25.6,HUM=78%,BAT=3.7V*

$ 起始标志
TEMP=25.6,HUM=78%,BAT=3.7V 数据区（用逗号分隔字段）
* 结束标志

带校验的例子（NMEA GPS 协议风格）

$GPGGA,123519,4807.038,N,01131.000,E,1,08,0.9,545.4,M,46.9,M,,*47

$GPGGA 起始标志+数据类型
逗号分隔的多个字段
*47 末尾 * 后是校验值（XOR 校验）

自定义协议例子

<START>ID=001;CMD=READ;TEMP=25.6;HUM=78;<END>

<START> 起始标志
ID=001;CMD=READ;TEMP=25.6;HUM=78; 数据区，字段以 ; 分隔
<END> 结束标志

3.文本数据包的优缺点

优点：

人类可直接阅读、调试方便（用串口助手就能看懂）
跨平台性好，不依赖字节序
可直接使用字符串处理函数解析

缺点：

占用带宽较大（字符比原始二进制长）
解析速度慢于固定结构的 HEX 数据包
对浮点数等类型需要额外转换（ASCII ↔ 数值）

4.文本数据包的典型应用

串口调试协议（如 AT 命令、NMEA GPS 数据）
HTTP、MQTT 等网络应用层协议
传感器调试输出
物联网设备日志与命令传输

寄存器

在计算机和单片机（包括 STM32、51 单片机等）中，寄存器（Register）是位于 CPU 内部的一种容量极小、速度极快的存储单元，用来临时保存和控制数据、指令以及硬件状态。

你可以把它想象成 CPU 手边的“超高速便利贴”：

内存（RAM）像是在隔壁房间的仓库，取数据需要跑过去
寄存器就在 CPU 旁边，一伸手就能拿到

1.寄存器的分类

寄存器按用途大致分为两大类：

① 通用寄存器

作用：临时保存运算数据、中间结果
例子：x86 架构的 EAX、EBX，ARM 架构的 R0 ~ R12
特点：编译器和汇编程序可以自由使用

② 特殊功能寄存器（SFR, Special Function Register）

作用：控制硬件外设、反映状态
这些寄存器直接映射到硬件电路中，通过它们就能控制 GPIO、定时器、串口等功能
在 STM32 中，这些寄存器是内存映射寄存器，用地址访问，比如：
```
GPIOA->ODR = 0x01; // 让 PA0 输出高电平
```
这里的 ODR（Output Data Register）就是 GPIO 的输出数据寄存器。

2. 寄存器的特点

速度极快（比 RAM 还快）
容量很小（几十到几百个寄存器）
与 CPU/外设直接连接
通过位（bit）控制硬件功能

3. 寄存器在单片机中的例子

以 STM32F103 为例，假设要点亮 PA5 引脚上的 LED：

RCC->APB2ENR |= (1 << 2); // 开启 GPIOA 时钟
GPIOA->CRL &= ~(0xF << 20); // 清空 PA5 模式位
GPIOA->CRL |=  (0x1 << 20); // 设置 PA5 为推挽输出
GPIOA->ODR |=  (1 << 5);    // 置位 PA5 输出高电平

RCC->APB2ENR：外设时钟使能寄存器
GPIOA->CRL：端口配置寄存器低位（控制 PA0~PA7）
GPIOA->ODR：输出数据寄存器

这些寄存器本质上都是内存地址，比如 GPIOA->ODR 实际是：

0x4001080C

往这个地址写 1，就等于给 PA5 脚送高电平。

4.用简单比喻理解

寄存器：CPU 桌上的小便签，拿取速度最快（直接操作）
RAM：隔壁房间的文件柜（速度较慢）
硬盘：地下仓库（速度最慢）

C语言可变参数

C 语言可变参数（Variable Arguments）指的是一个函数在声明时参数的数量不固定，可以根据调用时的需要传入不同数量的实参。

最典型的例子就是标准库中的 printf() 函数：

printf("Hello %s, age %d\n", "Tom", 18);

printf 的第一个参数是固定的格式化字符串，后面跟多少参数由格式字符串决定，这就是可变参数的用法。

一、、可变参数函数的声明方式

在函数形参列表的末尾使用省略号 ... 表示：

#include <stdarg.h> // 必须包含的头文件void myFunc(int count, ...); // count 表示后面有多少参数

固定参数：省略号前的部分，必须有至少一个固定参数（方便定位可变参数起点）。
可变参数：省略号 ... 表示数量和类型在编译期不固定。

二、可变参数的原理

在 C 语言中，可变参数通过 栈传递，stdarg.h 提供了访问它们的宏：

va_list —— 保存参数信息的变量类型
va_start —— 初始化 va_list，定位到可变参数起点
va_arg —— 取出一个参数
va_end —— 清理工作

三、可变参数函数实现示例

例如写一个求任意数量整数和的函数：

#include <stdio.h>
#include <stdarg.h>// sum(count, ...): 传入 count 个整数，返回它们的和
int sum(int count, ...) {va_list args;           // 定义参数列表变量va_start(args, count);  // 初始化，从 count 后的参数开始取int total = 0;for (int i = 0; i < count; i++) {total += va_arg(args, int); // 每次取出一个 int 参数}va_end(args);           // 清理return total;
}int main() {printf("%d\n", sum(3, 10, 20, 30)); // 输出 60printf("%d\n", sum(5, 1, 2, 3, 4, 5)); // 输出 15return 0;
}

四、注意事项

类型安全性差
编译器无法检查可变参数类型是否正确，比如 va_arg(args, int) 和实际类型不匹配会导致错误行为。
必须依赖固定参数来控制读取数量
否则无法知道何时停止读取。
跨平台注意数据对齐
参数在栈上的对齐方式可能和平台架构有关。
宏和可变参数
宏中也能用 ... 表示可变参数（C99 及之后）。

#include <stdio.h>
#include <stdarg.h>void show(int count, ...) {va_list args;va_start(args, count); // 定位到第一个可变参数for (int i = 0; i < count; i++) {int val = va_arg(args, int); // 依次取出一个 intprintf("%d\n", val);}va_end(args);
}int main() {show(3, 10, 20, 30);return 0;
}

内存栈图示（调用 show(3, 10, 20, 30) 时）

假设我们是 x86 栈向下增长 的情况（地址从高到低），函数调用时的栈大致如下：

高地址
┌───────────────────────┐
│    返回地址            │ ← main 调用 show 后返回的地址
├───────────────────────┤
│ count = 3             │ ← 固定参数
├───────────────────────┤
│ 10                    │ ← 第1个可变参数
├───────────────────────┤
│ 20                    │ ← 第2个可变参数
├───────────────────────┤
│ 30                    │ ← 第3个可变参数
└───────────────────────┘
低地址

① va_start(args, count)

va_start 的作用是：
让 args 指针指向 count 后面的第一个可变参数（10）
底层会用 count 在栈上的地址 + 它的大小（sizeof(count)）来得到可变参数的起点。
```
args ──► 10
```
② va_arg(args, int)
va_arg 做了两件事：
1. 取出 args 当前指向位置的值（比如第一次是 10）
2. 将 args 移动到下一个参数的位置（加上 sizeof(int)）
取值过程：

第1次：args=10 → 返回10 → args指向20
第2次：args=20 → 返回20 → args指向30
第3次：args=30 → 返回30 → args指向结束位置

③ va_end(args)

va_end 主要是做清理，防止野指针问题（实际可能什么都不做，但必须写）

✅ 总结：

va_start：定位到第一个可变参数
va_arg：取值并移动指针
va_end：结束可变参数处理
栈上参数是连续存放的，所以可以用指针依次取出

栈

定时器中断

定时器中断其实就是利用单片机（或 CPU）里的定时器硬件模块，在设定的时间间隔自动触发中断服务函数，让你在固定时间做某件事。

它结合了两个东西：

定时器（硬件计时器）
中断机制（硬件事件触发 CPU 自动跳到某段代码执行）

1.基本原理

可以把它想成一个厨房的闹钟：

你在闹钟上设定“10分钟”
闹钟（定时器硬件）开始计时
时间一到，闹钟“叮”一下（产生中断信号）
你（CPU）放下手里的事，去处理闹钟（执行中断函数）
处理完再继续原来的工作

在 STM32 或 51 单片机中：

定时器寄存器 控制定时周期
中断控制器（NVIC）接收到定时器溢出事件后调用中断服务函数（ISR）

2.定时器中断的触发流程

配置定时器参数
- 预分频器（Prescaler）：降低时钟频率
- 自动重装值（ARR）：定时器计数到这个值时溢出
使能定时器中断
- 设置定时器的 UIE（更新中断使能）位
- NVIC 使能对应的中断通道
启动定时器
计数溢出 → 触发中断请求（IRQ）
执行中断服务函数（ISR）
- 在 ISR 中处理任务（如 LED 翻转、计时器变量++ 等）
清除中断标志
- 防止中断反复触发

3. STM32 定时器中断示例

#include "stm32f10x.h"void TIM2_IRQHandler(void) {if (TIM_GetITStatus(TIM2, TIM_IT_Update) != RESET) {TIM_ClearITPendingBit(TIM2, TIM_IT_Update); // 清除中断标志GPIOA->ODR ^= (1 << 5); // 翻转 PA5}
}void Timer2_Init(void) {RCC_APB1PeriphClockCmd(RCC_APB1Periph_TIM2, ENABLE);RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOA, ENABLE);GPIO_InitTypeDef gpio;gpio.GPIO_Pin = GPIO_Pin_5;gpio.GPIO_Mode = GPIO_Mode_Out_PP;gpio.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;GPIO_Init(GPIOA, &gpio);TIM_TimeBaseInitTypeDef tim;tim.TIM_Period = 9999; // ARRtim.TIM_Prescaler = 7199; // PSCtim.TIM_ClockDivision = TIM_CKD_DIV1;tim.TIM_CounterMode = TIM_CounterMode_Up;TIM_TimeBaseInit(TIM2, &tim);TIM_ITConfig(TIM2, TIM_IT_Update, ENABLE);NVIC_EnableIRQ(TIM2_IRQn);TIM_Cmd(TIM2, ENABLE);
}int main(void) {Timer2_Init();while (1) {// 主循环可做其他事}
}

上面例子里：