本文隶属于AVR单片机教程系列。
在第一期中，我们已经开始使用UART来实现单片机开发板与计算机之间的通信，但只是简单地讲了讲一些概念和库函数的使用。在这一篇教程中，我们将从硬件与软件等各方面更深入地了解UART。
USART组件
一直在讲的UART其实是USART组件的一部分，USART比UART多了同步的一部分，但这一部分用得太少（我从来没用过），而且缺乏实例，所以就略过了。然而，单片机的设计者很机智地把这个鸡肋功能升华了一下，USART组件可以支持SPI模式。SPI是一种同步串行总线，可以支持很高的传输速率。这个功能使得ATmega324PA支持最多3个SPI通道，其中一个是纯SPI，另两个就是SPI模式下的USART。我们将在下一讲中揭开SPI的神秘面纱。
回到UART模式下的USART组件。开发板引出的RX和TX引脚是属于USART0组件的，因此使用时以下n都用0代替。
UART共有5个寄存器：
UDRn是收发数据寄存器，收（RXB）和发（TXB）使用不同的寄存器，但都通过UDRn来访问。向TXB写入一个字节，UART就开始发送；RXB保存接收到的数据，带有额外一个字节的缓冲（如同下一节要讲的缓冲区）。UCSRnA包含UART状态位，如三个中断对应的标志，以及一些不常用的设置位。UCSRnB主要用于使能，包括收发器与三个中断的使能位，以及9位帧格式相关的位。UCSRnC是最主要的控制寄存器，可以配置USART的模式与格式。UBRRnL和UBRRnH（可以通过UBRRn来访问这个16位寄存器）用于设定波特率，在异步模式下，(BAUD = frac {f_{CPU}} {16(UBRRn + 1)})。
UART支持三个中断，分别是接收完成（RX）、数据寄存器空（UDRE）、发送完成（TX）。第一个用于接收，后两个用于发送，一般使用UDRE。
RX中断允许程序在任何时刻及时地接收并处理总线上发来的数据。沿用串口接收一讲中的例子：
#include <avr/io.h>
#include <avr/interrupt.h>
#include <ee1/led.h>
int main(void)
{
led_init();
PORTD |= 1 << 0; // RXD0 pull-up
UCSR0B = 1 << RXCIE0 // RX interrupt
| 1 << RXEN0 // RX enabled
| 1 << TXEN0; // TX enabled
UCSR0C = 0b00 << UMSEL00 // asynchronous USART
| 0b10 << UPM00 // even parity
| 0 << USBS0 // 1 stop bit
| 0b11 << UCSZ00; // 8-bit
UBRR0L = 40; // 38400bps
sei();
while (1)
;
}
ISR(USART0_RX_vect)
{
static const char led_char[4] = {'r', 'y', 'g', 'b'};
static uint8_t which = 4;
uint8_t byte = UDR0;
bool matched = false;
for (uint8_t i = 0; i != 4; ++i)
if (byte == led_char[i])
{
matched = true;
which = i;
break;
}
if (!matched && (byte == '0' || byte == '1'))
{
matched = true;
if (which < 4)
led_set(which, byte - '0');
which = 4;
}
if (!matched)
which = 4;
}
TX与UDRE中断允许程序在总线发送数据同时执行其他代码。比如，在打印ASCII表的同时控制LED闪烁。
#include <avr/io.h>
#include <avr/interrupt.h>
#include <ee1/led.h>
#include <ee1/delay.h>
int main(void)
{
led_init();
UCSR0B = 1 << UDRIE0 // UDRE interrupt
| 1 << TXEN0; // TX only
UCSR0C = 0b00 << UMSEL00 // asynchronous USART
| 0b10 << UPM00 // even parity
| 0 << USBS0 // 1 stop bit
| 0b11 << UCSZ00; // 8-bit
UBRR0L = 40; // 38400bps
sei();
while (1)
{
led_on();
delay(500);
led_off();
delay(500);
}
}
ISR(USART0_UDRE_vect)
{
static char c = 0x21;
UDR0 = c;
if (++c == 0x7F)
c = 0x21;
}
你看，不用定时器，只需总线中断与老套的main结合即可。
值得一提的是UDRE中断的设计特别人性化——UDREn的复位值是1，程序可以把所有数据都放在中断中，控制部分只需开关中断——而SPI和I²C组件都没有这个特性。至于它到底带来多少好处，只有在码的过程中体会了。
缓冲区
如果你较真一点，就会觉得上面这个程序很烂：
把硬件驱动（UART配置与中断）与业务逻辑（要输出的内容）紧紧地连接在一起（专业点讲，叫“紧耦合”），不符合可复用性等一系列设计原则；
ASCII表是十分有规律的，而大多数程序的输出则不然，需要
UDRE中断以外的代码来决定要输出什么字符串，仅中断并不能解放常规的输出。其实我们还遇到过其他问题：
相比25MHz的CPU频率，UART的38400波特率是很慢的，传输一个字节的时间可以让CPU执行几千条指令，但
uart_print_string等函数的策略都是等待UART把数据发送完成才返回，是阻塞的；uart_scan_string等函数要求程序乖乖地等待总线上的数据到来，不能错过，这使程序不能在等待的同时做其他事；以上两点相结合更让人尴尬——在发送的同时接收到的数据会被错过，怎么还能叫全双工总线呢？
这输入和输出两方面的问题可以用一种高度对称的手段来解决，它就是缓冲区。缓冲区是这样一种结构，它存放着一串字符，来自于程序的输出或UART的接收，并可以按顺序取出，用于UART的发送或程序的输入。显然，这需要用到中断：在RX中断中，向缓冲区中放入接收到的数据；在UDRE中断中，如果缓冲区中有数据，则取出并发送之。
于是，当程序需要输入时，可以从缓冲区中取一些字符，并解析成整数等类型，如果缓冲区为空，则等待输入，与C语言标准输入scanf很类似；当程序需要输出时，可以直接把字符串写到缓冲区中，让中断来逐字节发送，而主程序可以无需等待，直接继续工作，这种输出是异步的。这个“异步”与UART总线的“异步”是不同的概念。关于阻塞、异步等概念，可参考：怎样理解阻塞非阻塞与同步异步的区别？
但是现在“缓冲区”还只是一个抽象概念，我们要把它落实成代码。如何实现一个缓冲区呢？
我们先把缓冲区想象成一个管道，有头和尾两端，我们需要从尾部放入球，从头部取出。这种数据结构称为队列。
队列可以用链表来实现，好处是队列的长度没有限制，除非内存耗尽。但是在我们的应用场景中，链表节点中有效的数据是一个字节，却还需要两个字节来存放一个指针，不太划算。并且，malloc函数是比较耗时的，应避免频繁调用。
我们使用一种叫作“循环队列”的实现。循环队列是一个数组，保存两个下标，分别指向头和尾（由于我主要写C++，我习惯用尾后）。循环体现在，假如队列的大小是64，那么下标为63的元素的后一个就是下标为0的元素。如果把普通数组想象成一个矩形，那么循环队列就是一个圆环。
初始时，头和尾下标相同。向尾部放入一个字节，就是在尾下标处写数据，并让尾下标指向下一个元素；取出一个字节，就是读取头下标处的数据，并让头下标指向下一个元素。当两个下标相等时，队列为空；当尾的后一个等于头时，队列满——可是明明这时只放了63个元素，为什么不再放一个呢？因为会与队列空的情况冲突，无法分辨，为了省事，还是浪费一个字节吧。
下面这段代码需要你认真阅读并理解，但是请先忽略volatile和ATOMIC_BLOCK(ATOMIC_FORCEON)，当它们不存在就可以了。你也可以参考一些循环队列相关的资料来更好地理解这种结构（本来我想写的，但这篇已经很长了）。
#include <stdint.h>
#include <stdbool.h>
#include <avr/io.h>
#include <avr/interrupt.h>
#include <util/atomic.h>
#define UART_TX_BUFFER_SIZE 64
#define UART_TX_BUFFER_MASK (UART_TX_BUFFER_SIZE - 1)
volatile char uart_tx_buffer[UART_TX_BUFFER_SIZE];
volatile uint8_t uart_tx_head = 0;
volatile uint8_t uart_tx_tail = 0;
void uart_init_buffered()
{
UCSR0B = 0 << UDRIE0 // UDRE interrupt disabled
| 1 << TXEN0; // TX only
UCSR0C = 0b00 << UMSEL00 // asynchronous USART
| 0b10 << UPM00 // even parity
| 0 << USBS0 // 1 stop bit
| 0b11 << UCSZ00; // 8-bit
UBRR0L = 40; // 38400bps
}
void uart_print_char_buffered(char c)
{
bool full = true;
while (1)
{
ATOMIC_BLOCK(ATOMIC_FORCEON)
{
if (((uart_tx_tail + 1) & UART_TX_BUFFER_MASK) // 0->1, ..., 63->0
!= uart_tx_head)
full = false;
}
if (!full)
break; // if full, wait until buffer is not full
}
ATOMIC_BLOCK(ATOMIC_FORCEON)
{
if (uart_tx_head == uart_tx_tail)
UCSR0B |= 1 << UDRIE0;
uart_tx_buffer[uart_tx_tail] = c;
uart_tx_tail = (uart_tx_tail + 1) & UART_TX_BUFFER_MASK;
}
}
ISR(USART0_UDRE_vect)
{
UDR0 = uart_tx_buffer[uart_tx_head];
uart_tx_head = (uart_tx_head + 1) & UART_TX_BUFFER_MASK;
if (uart_tx_head == uart_tx_tail)
UCSR0B &= ~(1 << UDRIE0);
}
看到这里我默认你已经理解了循环数组，下面来看这些被忽略的语句。声明为volatile的变量一定会被放在内存中而不是通用寄存器中；ATOMIC_BLOCK的功能是，后面的大括号中的语句是原子的，在执行时不会被中断；ATOMIC_FORCEON会在执行完后把全局中断打开。
相信你一定对这种代码感到不适，为什么需要这么麻烦呢？以if (uart_tx_head == uart_tx_tail)这一句为例，这句语句通常由主程序执行。
假设执行到这一句前时
uart_tx_head为41，uart_tx_tail为42，即缓冲区中还有1字节没有发送。程序读取
uart_tx_head，其值为41。在读取
uart_tx_tail之前，USART0_UDRE_vect中断触发了，在中断中最后一个字节被发送，uart_tx_head被修改为42，UDRIE0被写0，关掉了这个中断，随后中断退出。程序读取
uart_tx_tail，其值为42，两者不相等，UDRIE0不会被写1，中断保持关闭状态。缓冲区中被写了一个字节，
uart_tx_tail变为43。缓冲区明明非空，UDRE中断却没有开，这个字节无法发送。
这样分析很累，我写的时候并没有认真分析不加原子操作可能带来的问题，而是遵循这样的原则：对于非中断与中断的代码共享的数据，在非中断代码中一定要加原子，在中断代码中，如果在使用这些数据时全局中断可能处于打开状态，则也需要加原子。
现在我们实现了串口输出缓冲区，输入缓冲区的原理类似，留作作业。我们还需要关注几个问题：
串口输出是连续的字符流。“连续”是指不存在发送几个字节，停顿一下，再继续发送的情况；“字符流”是指发送的数据都是字符。在字符流的假设下，如果需要可以断开的输出，可以通过用