CVAVR生成的典型USART收发的接口程序

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&amp;bbs_id=1000&amp;bbs_page_no=1&amp;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