從 UART 設備開始學會使用 RT-Thread I/O 設備模型 。

目錄

前言
一、UART 設備操作

1.1 UART 設備控制塊
1.2 UART 操作函數
1.2.1 查找 UART 設備
1.2.2 打開/關閉 UART 設備
實際應用中的串口讀寫說明
1.2.3 控制 UART 設備
1.2.4 發送數據
1.2.5 設置接收回調函數
1.2.6 接收數據

二、UART 設備使用步驟

2.1 RT-Thread setting
2.2 board.h 設置
2.3 應用程序流程

三、UART 示例測試

3.1 與無線模塊串口通訊
3.2 示例說明

結語

前言

通過前面的兩篇文章，我們基本上完全明白了 RT-Thread I/O 設備模型的基本原理，當然我們的最終目的還是應用，所以本文開始我們就開始進行常用設備的使用學習和測試，就從 UART 設備開始。

從本文開始，就開始進行常用 I/O 設備的學習測試。

本 RT-Thread 專欄記錄的開發環境：
RT-Thread記錄（一、RT-Thread 版本、RT-Thread Studio開發環境 及 配合CubeMX開發快速上手）
RT-Thread記錄（二、RT-Thread內核啟動流程 — 啟動文件和源碼分析）
RT-Thread 設備篇系列博文鏈接：
RT-Thread記錄（十、全面認識 RT-Thread I/O 設備模型）
RT-Thread記錄（十一、I/O 設備模型之UART設備 — 源碼解析）

一、UART 設備操作

雖然在上一篇文章中，我們已經認識過 RT-Thread UART 的操作函數，但是我們并沒有對其參數進行說明。
學習使用一個設備，在 RT-Thread 系統中就是一個對象， 還是得按照我們之前的流程進行簡單介紹。

1.1 UART 設備控制塊

在我們前面許多文章介紹其他內核對象的時候，我們首先都會介紹其對象控制塊，對于 UART 設備而言，它也有自己的控制塊。
但是與其他對象機制不同的是，UART 屬于 I/O 設備，對于上層應用程序而言，所有的 I/O 設備都是屬于 struct rt_device 類。

在我們前面文章《RT-Thread記錄（十、全面認識 RT-Thread I/O 設備模型》初次介紹 I/O 設備模型的時候就已經說明了這個統一的控制塊：

上面的控制塊是對于應用程序而言，在我們的 UART 設備的設備驅動框架層，是有定義了 UART 設備自己的控制塊，其繼承了rt_device的內容，同時還增加了 UART 設備特有的一些配置，操作，回調函數之類的內容，如下圖：

上面的 UART 設備控制塊在我們的上一篇文章也有過分析說明。

?? UART 設備屬于 I/O 設備大類中的一個小類，對于上層應用程序而言，UART 設備控制塊rt_serial_device并不透明，我們用戶操作的還是 I/O 設備模型的控制塊rt_device_t類型。

1.2 UART 操作函數

因為 UART 的操作函數 與 I/O 設備的操作函數基本一致，所以本小結有點類似《RT-Thread記錄（十、全面認識 RT-Thread I/O 設備模型》中的 2.3 訪問 I/O 設備相關 API 操作，但是針對 UART 設備，也有一些獨有的參數說明。

老規矩，函數介紹部分說明看注釋。

1.2.1 查找 UART 設備

需要先定義一個 I/O 設備結構體（rt_device_t類型）的指針變量，接收創建好的句柄。

/*
參數 	描述
name 	設備名稱,對于UART設備而言，默認一般是 uart0，uart1，uart2，uart3 等
返回 	——
設備句柄 	查找到對應設備將返回相應的設備句柄
RT_NULL 	沒有找到相應的設備對象
*/
rt_device_t rt_device_find(const char* name);

1.2.2 打開/關閉 UART 設備

先說打開 UART 設備：

/**
參數 	描述
dev 	設備句柄
oflags 	設備模式標志

oflags可選的的值如下：
#define RT_DEVICE_FLAG_STREAM       0x040     流模式     
接收模式參數
#define RT_DEVICE_FLAG_INT_RX       0x100     中斷接收模式
#define RT_DEVICE_FLAG_DMA_RX       0x200     DMA 接收模式
發送模式參數
#define RT_DEVICE_FLAG_INT_TX       0x400     中斷發送模式
#define RT_DEVICE_FLAG_DMA_TX       0x800     DMA 發送模式

返回值：
RT_EOK 	設備打開成功
-RT_EBUSY 	如果設備注冊時指定的參數中包括 RT_DEVICE_FLAG_STANDALONE 參數，此設備將不允許重復打開
其他錯誤碼 	設備打開失敗
 */
rt_err_t rt_device_open(rt_device_t dev, rt_uint16_t oflag)

打開設備時，會檢測設備是否已經初始化，沒有初始化則會默認調用初始化接口初始化設備。

如果 oflags 沒有指定使用中斷模式或者 DMA 模式，則默認使用輪詢模式。

這里有個問題，流模式是什么情況下使用的？485通訊? 暫時不知道，希望知道的朋友能夠給個說明。

在官方的文檔中，關于流模式有如下說明：

實際應用中的串口讀寫說明

串口RX：

在我們正常的項目使用中，一般都是 中斷接收 或者 DMA 接收，基本上不會使用 輪詢接收的方式（極大的浪費資源，反正我是沒用過）。

所以我們打開串口設備的時候，基本上都是如下兩種：

rt_device_open(serial, RT_DEVICE_FLAG_INT_RX);

rt_device_open(serial, RT_DEVICE_FLAG_DMA_RX);

在 RT-Thread 系統中，我們常用信號量或者消息隊列 來標志是否接收到串口數據，這樣的好處是當沒有數據的時候，會將數據處理線程掛機，讓出CPU資源。

串口TX：

對于串口 TX 來說，大部分項目中我自己一直都用的是 輪詢 方式發送。

對于串口的中斷發送方式，在上一篇文章我們分析 UART 源碼，雖然沒有詳細說明，但是實際上在設備驅動層 drv_usart.c 驅動文件里，中斷發送方式最終還是調用了該驅動文件里面的stm32_putc函數：

我感覺還是和輪詢一樣，將數據寫入 數據寄存器DR，使用while死等發送完成（雖然時間很短）。

上面雖然只是 RT-Thread 中的UART設備驅動文件，也多少能說明一些問題，中斷發送最終無非就是發送完了多一個中斷通知。

對于另外一種 DMA 發送，我記得以前聽老人提到過，DMA發送使用不得當，可能導致發送數據異常，簡單來說就是 DMA 發送函數返回后，數據都不一定發送完成了，如果此時修改了 DMA 發送指定的buffer 區的內容，那么后面的數據就錯誤了。

所以，如果沒有特殊需求，我們項目中的串口發送使用 輪詢發送 即可（有些特殊情況的根據自己的實際需求而定）。

所以結合上面所說，我們實際應用中，使用以下兩種方式打開串口設備能滿足大部分場合需求：

/*輪詢方式發送，中斷接收*/
rt_device_open(serial, RT_DEVICE_FLAG_INT_RX);
/*輪詢方式發送，DMA接收*/
rt_device_open(serial, RT_DEVICE_FLAG_DMA_RX);

有打開設備，當然也有關閉設備:

/**
參數 	描述
dev 	設備句柄
返回 	——
RT_EOK 	關閉設備成功
-RT_ERROR 	設備已經完全關閉，不能重復關閉設備
其他錯誤碼 	關閉設備失敗
 */
rt_err_t rt_device_close(rt_device_t dev)

關閉設備接口和打開設備接口需配對使用，打開一次設備對應要關閉一次設備，這樣設備才會被完全關閉，否則設備仍處于未關閉狀態。

當然在一般的應用場合，用到串口通訊的地方設備都是需要一直開啟的，所以很多情況下都不需要使用 UART 設備關閉函數。

1.2.3 控制 UART 設備

rt_device_control 一般用在 rt_device_open （打開串口設備）之前，對需要使用的串口進行必要的配置。

/**
參數 	描述
dev 	設備句柄
cmd 	命令控制字，可取值：RT_DEVICE_CTRL_CONFIG
arg 	控制的參數，可取類型： 
struct serial_configure
{
    rt_uint32_t baud_rate;             波特率 
    rt_uint32_t data_bits    :4;       數據位 
    rt_uint32_t stop_bits    :2;       停止位 
    rt_uint32_t parity       :2;       奇偶校驗位 
    rt_uint32_t bit_order    :1;       高位在前或者低位在前 
    rt_uint32_t invert       :1;       模式 
    rt_uint32_t bufsz        :16;      接收數據緩沖區大小 
    rt_uint32_t reserved     :4;       保留位 
};

波特率可取值：
#define BAUD_RATE_2400                  2400
#define BAUD_RATE_4800                  4800
#define BAUD_RATE_9600                  9600
#define BAUD_RATE_19200                 19200
#define BAUD_RATE_38400                 38400
#define BAUD_RATE_57600                 57600
#define BAUD_RATE_115200                115200
#define BAUD_RATE_230400                230400
#define BAUD_RATE_460800                460800
#define BAUD_RATE_921600                921600
#define BAUD_RATE_2000000               2000000
#define BAUD_RATE_3000000               3000000

數據位可取值：
#define DATA_BITS_5                     5
#define DATA_BITS_6                     6
#define DATA_BITS_7                     7
#define DATA_BITS_8                     8
#define DATA_BITS_9                     9

停止位可取值：
#define STOP_BITS_1                     0
#define STOP_BITS_2                     1
#define STOP_BITS_3                     2
#define STOP_BITS_4                     3

極性位可取值：
#define PARITY_NONE                     0
#define PARITY_ODD                      1
#define PARITY_EVEN                     2

高低位順序可取值：
#define BIT_ORDER_LSB                   0
#define BIT_ORDER_MSB                   1

模式可取值：
#define NRZ_NORMAL                      0     
#define NRZ_INVERTED                    1 
    
接收數據緩沖區默認大小：
#define RT_SERIAL_RB_BUFSZ              64

返回 	——
RT_EOK 	函數執行成功
-RT_ENOSYS 	執行失敗，dev 為空
其他錯誤碼 	執行失敗
 */
rt_err_t rt_device_control(rt_device_t dev, int cmd, void *arg)

我們已經知道，在串口初始化的時候會有一個默認配置：

所以在我們使用串口的時候，如果對應的配置與默認的配置不一樣，就需要使用此函數修改配置。

接收緩沖區：

當串口使用中斷接收模式打開時，串口驅動框架會根據 RT_SERIAL_RB_BUFSZ 大小開辟一塊緩沖區用于保存接收到的數據，底層驅動接收到一個數據,都會在中斷服務程序里面將數據放入緩沖區。

在修改緩沖區大小時請注意，緩沖區大小無法動態改變，只有在 open 設備之前可以配置。open 設備之后，緩沖區大小不可再進行更改。但除緩沖區之外的其他參數，在 open 設備前 / 后，均可進行更改。

串口控制修改使用官方修改示例說明一下：

#define SAMPLE_UART_NAME       "uart2"    /* 串口設備名稱 */
static rt_device_t serial;                /* 串口設備句柄 */
struct serial_configure config = RT_SERIAL_CONFIG_DEFAULT;  /* 初始化配置參數 */

/* step1：查找串口設備 */
serial = rt_device_find(SAMPLE_UART_NAME);

/* step2：修改串口配置參數 */
config.baud_rate = BAUD_RATE_9600;        //修改波特率為 9600
config.data_bits = DATA_BITS_8;           //數據位 8
config.stop_bits = STOP_BITS_1;           //停止位 1
config.bufsz     = 128;                   //修改緩沖區 buff size 為 128
config.parity    = PARITY_NONE;           //無奇偶校驗位

/* step3：控制串口設備。通過控制接口傳入命令控制字，與控制參數 */
rt_device_control(serial, RT_DEVICE_CTRL_CONFIG, &config);

/* step4：打開串口設備。以中斷接收及輪詢發送模式打開串口設備 */
rt_device_open(serial, RT_DEVICE_FLAG_INT_RX);

1.2.4 發送數據

/**
參數 	描述
dev 	設備句柄
pos 	寫入數據偏移量，此參數串口設備未使用
buffer 	內存緩沖區指針，放置要寫入的數據
size 	寫入數據的大小
返回 	——
寫入數據的實際大小 	如果是字符設備，返回大小以字節為單位；
0 	需要讀取當前線程的 errno 來判斷錯誤狀態
 */
rt_size_t rt_device_write(rt_device_t dev,
                          rt_off_t    pos,
                          const void *buffer,
                          rt_size_t   size)
                          

寫其實很好理解，除了多一個設備句柄參數，和我們裸機中使用的發送函數一樣，看一下一個普通的裸機串口發送函數：

這里說明一下，因為我們上面分析過實際應用中的串口讀寫，一般都使用輪詢發送，所以我這里并不打斷介紹 設置發送完成回調函數 。

1.2.5 設置接收回調函數

/**
參數 	描述
dev 	設備句柄
rx_ind 	回調函數指針

回調函數參數 描述
dev 		設備句柄
size 		緩沖區數據大小
返回 	——
RT_EOK 	設置成功
 */
rt_err_t
rt_device_set_rx_indicate(rt_device_t dev,
                          rt_err_t (*rx_ind)(rt_device_t dev, rt_size_t size))

若串口以中斷接收模式打開：
當串口接收到一個數據產生中斷時，就會調用回調函數，并且會把此時緩沖區的數據大小放在 size 參數里，把串口設備句柄放在 dev 參數里供調用者獲取。

若串口以 DMA 接收模式打開：
當 DMA 完成一批數據的接收后會調用此回調函數。

在使用 RT-Thread 時候，一般會用一個信號量通知串口數據處理線程有數據到達。

在使用 RT-Thread Nano 的時候，其實我也是使用信號量來處理數據的接收:

具體詳情可查看博文：RT-Thread 應用篇 — 在STM32L051上使用 RT-Thread (四、無線溫濕度傳感器 之 串口通訊)

回調函數處理的示例我們使用官方示例說明，與下面的接收數據函數一起展示。

1.2.6 接收數據

數據接收處理函數，在接收回調函數運行之后運行。

/**
參數 	描述
dev 	設備句柄
pos 	讀取數據偏移量，此參數串口設備未使用
buffer 	緩沖區指針，讀取的數據將會被保存在緩沖區中
size 	讀取數據的大小
返回 	——
讀到數據的實際大小 	如果是字符設備，返回大小以字節為單位
0 					需要讀取當前線程的 errno 來判斷錯誤狀態
 */
rt_size_t rt_device_read(rt_device_t dev,
                         rt_off_t    pos,
                         void       *buffer,
                         rt_size_t   size)

我們與上面的設置接收回調函數一起使用官方示例作為說明：

#define SAMPLE_UART_NAME       "uart2"    /* 串口設備名稱 */
static rt_device_t serial;                /* 串口設備句柄 */
static struct rt_semaphore rx_sem;    /* 用于接收消息的信號量 */

/* 接收數據回調函數 */
static rt_err_t uart_input(rt_device_t dev, rt_size_t size)
{
    /* 串口接收到數據后產生中斷，調用此回調函數，然后發送接收信號量 */
    rt_sem_release(&rx_sem);

    return RT_EOK;
}

/* 接收數據的線程 */
static void serial_thread_entry(void *parameter)
{
    char ch;

    while (1)
    {
        /* 從串口讀取一個字節的數據，沒有讀取到則等待接收信號量 */
        while (rt_device_read(serial, -1, &ch, 1) != 1)
        {
            /* 阻塞等待接收信號量，等到信號量后再次讀取數據 */
            rt_sem_take(&rx_sem, RT_WAITING_FOREVER);
        }
        /* 讀取到的數據通過串口錯位輸出 */
        ch = ch + 1;
        rt_device_write(serial, 0, &ch, 1);
    }
}

static int uart_sample(int argc, char *argv[])
{
    serial = rt_device_find(SAMPLE_UART_NAME);

    /* 以中斷接收及輪詢發送模式打開串口設備 */
    rt_device_open(serial, RT_DEVICE_FLAG_INT_RX);

    /* 初始化信號量 */
    rt_sem_init(&rx_sem, "rx_sem", 0, RT_IPC_FLAG_FIFO);

    /* 設置接收回調函數 */
    rt_device_set_rx_indicate(serial, uart_input);
}

示例中使用的是信號量，收到一個數據，便會喚醒接收數據的線程，所以其實是一個字節一個字節（一個字符等于一個字節）的讀取， 示例處理方式只能使用 RT_DEVICE_FLAG_INT_RX 方式接收。

?? 接收數據rt_device_read 函數的返回值需要注意一下，返回值為讀到的數據實際大小，就是接收到的數據長度。

二、UART 設備使用步驟

簡單介紹一下在 RT-Thread Studio 開發環境下 UART的使用步驟。

2.1 RT-Thread setting

如果需要使用某個設備，是需要在 ENV 工具中配置的，現在有了 RT-Thread Studio ，所以可以直接通過工程目錄下的 RT-Thread setting 進行圖形化界面的配置，如下圖：

因為Shell 工具需要使用串口，所以默認串口這里已經是勾選中的，這里說明只是為了讓大家知道，在以后的 I/O 設備使用的時候，第一步就是在 RT-Thread setting 中使能設備。

2.2 board.h 設置

完成設備使能，我們還需要使用宏定義進行串口的基本設置，該設置在board.h文件中進行，如下圖：

board.h 中包括了很多外設的使用說明，除了 UART，還有I2C、SPI、ADC等設備，我們在后面學習這些設備使用的時候，需要經常用到這個頭文件，一些基本的使能配置都是在這個文件中用宏定義使能。

2.3 應用程序流程

完成上面 2 步的基本配置以后，我們就可以在應用程序通過上文介紹的 UART 設備操作函數進行串口的使用，具體的步驟概括如下：

UART 設備使用步驟 :
/
#include "rtdevice.h"
/
1、使用rt_device_find查找串口設備；
/
2、根據需求使用rt_device_control設置串口；
/
3、初始化回調函數中使用的信號量（在接收回調函數中 發送信號量 喚醒數據處理線程），如果使用消息隊列接收初始化消息隊列；
/
4、使用rt_device_open打開串口設備（根據自己的情況判斷使用什么方式接收，發送前面分析過了，一本應用使用輪詢發送即可）；
/
5、使用rt_device_set_rx_indicate設置串口設備的接收回調函數
/
6、創建數據讀取的線程。

按照上面的步驟，我進行了如下的示例測試，不要忘記 #include "rtdevice.h"：

上圖其實是根據官方示例代碼，使用的 ESP8266 WIFI 模塊做了一個簡單的測試：

三、UART 示例測試

在上面介紹應用程序流程的時候，其實已經做了一個簡單的示例測試。

同時在官方已經也提供了3種典型的示例程序：

中斷接收及輪詢發送、DMA 接收及輪詢發送、串口接收不定長數據

作為以應用為目的系列博文，我自己還是根據自己的工作需求進行串口通訊的測試，使用的是 Enocean 無線通訊模塊，當時在 RT-Thread 的應用篇，RT-Thread Nano 使用記錄的時候就使用的這個無線模塊。

要說明的是，用什么模塊做通訊并不是重點，重點在于使用過程中對串口數據的處理方式。

3.1 與無線模塊串口通訊

雖然換了一個通訊設備，但是官方給的例程：中斷接收及輪詢發送 還是適用的，我們先來看一看直接使用官方的例程做的測試：

/* 接收數據回調函數 */
static rt_err_t uart_input(rt_device_t dev, rt_size_t size)
{
    /* 串口接收到數據后產生中斷，調用此回調函數，然后發送接收信號量 */
    rt_sem_release(&rx_sem);
    return RT_EOK;
}
static void test_thread_entry(void *par){
    uint8_t ch;
    while (1)
    {
        /* 從串口讀取一個字節的數據，沒有讀取到則等待接收信號量 */
        while (rt_device_read(testuart, -1, &ch, 1) != 1)
        {
            /* 阻塞等待接收信號量，等到信號量后再次讀取數據 */
            rt_sem_take(&rx_sem, RT_WAITING_FOREVER);
        }
        rt_kprintf("%x ",ch);
    }
}

其測試結果如下：

為了更好的做數據解析，我們需要對原始的程序進行修改，使得能夠針對一幀數據一幀數據進行接收處理：

uint8_t USART_Enocean_BUF[64];
uint8_t Enocean_Data = 0;

/* 接收數據回調函數 */
static rt_err_t uart_input(rt_device_t dev, rt_size_t size)
{

    Enocean_Data = size;
    /* 串口接收到數據后產生中斷，調用此回調函數，然后發送接收信號量 */
    rt_sem_release(&rx_sem);
    return RT_EOK;
}
static void test_thread_entry(void *par){
    uint8_t i = 0;
    while (1)
    {
        if(rt_sem_take(&rx_sem, RT_WAITING_FOREVER) == RT_EOK){
              while(!rt_sem_take(&rx_sem, 7));
              rt_device_read(testuart, -1, USART_Enocean_BUF, Enocean_Data);

        }

        for (i = 0; i < Enocean_Data; ++i) {
            rt_kprintf("%x ",USART_Enocean_BUF[i]);
        }
        rt_kprintf("\r\n");

        rt_memset(&USART_Enocean_BUF, 0, sizeof(USART_Enocean_BUF));
        Enocean_Data = 0;
    }
}

測試結果如下，實現了我們所需要的的針對每一幀數據的接收（既然都已經可以區別每一幀數據了，所那么后續的處理也就簡單了）：

對于數據的接收處理信號量只是其中一種。
即便是信號量，也有多種可實現行的方式，而上面我測試使用的方式也只不過其中的一種：收到第一個數據的時候等待一定的時間，然后認為是一幀數據接收完成。
這也只是判斷一幀數據接收完成的方法中的一種 = =！

3.2 示例說明

在上面我們用了信號量作為通知的方式接收串口數據，官方的示： DMA 接收及輪詢發送 采用了消息隊列的方式進行處理，表面上看起來與我們上面那種方式不一樣。

其實本質都是一樣的，都不過是給線程一個通知，并沒有“真正意義上的傳遞了消息”（比如串口接收到的數據）：

如果想要使用消息隊列作為緩存正常的傳輸串口接收的數據，不使用 I/O 設備模型的情況下更加適合，究其原因，如下圖分析：

如上面表格所說，使用了I/O 設備模型之后，我們底層串口初始化的時候已經有了一段數據接收的buffer了，所以我們直接使用 rt_device_read 函數從驅動層的 buffer 讀取數據，用臨時 buffer 來處理就可以了（不過如果需要對處理程序，單獨設計函數，也可以用一個全局 buffer 來處理），也不過是2個buffer 的內存占用。

所以在官方的示例中，雖然給的是信號量，和消息隊列的不同的處理方式，但是究其根本還是一樣的。只是給了一個通知，這個其他的 IPC機制 比如 事件集一樣可以做到，即便不用 IPC 機制，普通簡單的應用，全局變量也未嘗不可。（對于消息隊列傳遞串口接收數據的應用，以后我還是會單獨的說明的，本文在于說明 UART 基于 I/O 設備模型的使用，所以就不做測試了 = =！）

?? 使用了 UART 設備模型，最終還是需要使用rt_device_read函數，從內部緩存讀取串口數據，IPC只不過是給線程一個通知。

結語

一個 UART 設備畫了兩篇文章，還算是比較值得的，通過上一篇文章加深對 RT-Thread I/O 設備模型的理解，通過本文實際體驗了一把 UART 設備。

體驗上來說，還是感覺特別方便簡單的。但是這個前提條件時，能夠真正的理解 RT-Thread I/O 設備模型，理解到位才能用起來游刃有余，也能夠在以后出問題的時候更容易的發現問題，解決問題。

?? 學會了使用一個東西當然是一件慶幸的事情，但是能夠理解它才是更加重要的事情！ ??