在嵌入式系统开发中，串口（UART）是最基础也是最常用的通信方式之一。无论是用于调试信息的打印、与外设通信，还是与主控模块的数据交互，一个稳定可靠、结构清晰的串口通信模块都是不可或缺的。

介绍一个基于 STM32F4 系列微控制器实现的串口通信模块，该模块采用环形缓冲区结构，并结合中断机制，实现了非阻塞、缓存式的数据收发。整体设计思路清晰、逻辑模块化，适合在嵌入式项目中直接复用。

模块结构概览

本模块主要由两个部分组成：

串口驱动模块（tty.c）
负责 UART 的初始化、收发控制与中断服务处理。
环形缓冲区模块（ringbuffer.c）
提供通用的循环数据缓存接口，实现数据的无损、非阻塞读写。

这种设计将通信协议与缓存机制分离，提升了系统的可维护性与移植性。

基本数据结构设计

本模块的核心是一个 ring_buf_t 类型，其内部应定义如下字段（见 ringbuffer.h）：

typedef struct {
    unsigned char *buf;   // 实际数据缓冲区
    unsigned int size;    // 缓冲区总大小（必须为2的幂）
    unsigned int front;   // 数据读取指针
    unsigned int rear;    // 数据写入指针
} ring_buf_t;

设计约束：缓冲区大小必须为 2 的整数次幂。
这是为了优化环形地址 wrap-around 操作，使用按位与（&）替代取模运算。

函数接口说明

初始化与清空

bool ring_buf_init(ring_buf_t *r, unsigned char *buf, unsigned int len);

初始化一个空的环形缓冲区，要求 len 是 2 的幂，返回值表示初始化成功与否。

void ring_buf_clr(ring_buf_t *r);

将读写指针归零，清空所有数据。

数据写入

unsigned int ring_buf_put(ring_buf_t *r, unsigned char *buf, unsigned int len);

将外部数据 buf 写入到环形缓冲区中。若缓冲区剩余空间不足，则只写入能容纳的部分。返回实际写入长度。

关键点：

支持跨缓冲区尾部写入（wrap-around）；
写入操作不会覆盖未读数据；
使用 rear 指针更新写入位置。

数据读取

unsigned int ring_buf_get(ring_buf_t *r, unsigned char *buf, unsigned int len);

从环形缓冲区读取数据至 buf，若请求数据超出已有长度，仅读取实际可用部分。返回值为实际读取字节数。

关键点：

支持跨缓冲区尾部读取；
读取数据后 front 指针更新；
数据一旦读取即“消费”，不可重复读取。

获取当前数据长度

unsigned int ring_buf_len(ring_buf_t *r);

返回当前缓冲区中已存数据长度（rear - front）。注意该实现默认读写指针不断增加，不会回绕，即 unsigned int 类型下支持最大 4G 字节空间。

性能优化点

位操作替代模运算：
缓冲区大小为 2 的幂时，可用 & (size - 1) 快速计算 wrap-around 的实际索引位置，减少 CPU 开销。

r->rear & (r->size - 1)  // 相当于 r->rear % r->size

双段 memcpy 提高吞吐：
为处理尾部 wrap 情况，写入和读取都拆分成两个 memcpy()，分别处理尾部和头部两段。

一、串口收发的关键设计思想

1. 接收与发送分离

通过 USART1_IRQHandler 中断服务函数分别处理 接收中断 和 发送中断，每次接收到数据就放入接收缓冲区（rxbuf），每次发送缓冲区中有数据就启动发送中断。这样设计的优点是：

接收及时不中断，防止数据丢失；
发送自动控制，避免频繁轮询；
系统主循环更加干净清晰。

2. 非阻塞缓冲机制

通过自定义结构 ring_buf_t，配合 ring_buf_put 与 ring_buf_get，实现了一个灵活的环形数据缓冲区。相比一次性收发固定数据，这种缓存机制更具鲁棒性，适合串口波动大、数据密集或通信速率不一致的场合。

二、环形缓冲区的应用价值

环形缓冲区（Ring Buffer）是一种“循环”的数据结构，空间开销小、速度快，非常适合嵌入式实时系统中对性能要求高的通信模块。

在串口收发中，它的典型作用包括：

解决串口收发异步性问题，接收与处理分离；
支持可变长度数据帧的缓冲处理；
与中断或DMA天然契合，避免主线程阻塞；
数据临时缓存，保障高并发场景的数据完整性。

三、统一串口接口设计

为了提高代码复用性，模块中使用了一个结构体 tty_t 对串口操作进行统一抽象，包括：

串口初始化函数；
发送数据接口；
接收数据接口；
缓冲状态判断函数（是否满、是否空）；

通过将这些函数指针封装在结构体中，可以非常方便地实现“控制台接口”或多串口同时支持，只需更换硬件配置部分即可。

const tty_t tty = {
    uart_init,
    uart_write,
    uart_read,
    tx_isfull,
    tx_isempty,
    rx_isempty
};

这种设计方式值得推广到其他如 SPI、CAN、I2C 等通信模块上，实现统一接口调用，提升代码一致性。

四、典型应用场景

这个串口收发模块适合嵌入式项目中的以下典型场景：

设备调试打印：串口作为 printf 的输出设备，缓存打印内容，防止打印阻塞主循环。
与上位机通讯：通过串口接收指令、发送响应数据，配合协议帧解析模块构成完整通讯链路。
传感器数据采集：将高频率传感器的串口数据接收后缓存，主线程按需读取处理。
工业控制通信：对实时性要求高，使用环形缓冲区和中断机制可避免数据积压。

五、设计优点总结

模块化清晰：缓存模块与串口驱动分离，便于独立调试、复用。
性能稳定：中断驱动 + 缓冲机制，避免数据丢失。
扩展灵活：支持任意大小的缓存、多个串口实例。
移植方便：与具体芯片无强耦合，适合在不同 STM32 系列中复用。

六、推荐使用方式

建议将此模块封装为标准组件，并在上层封装为串口服务层，例如：

tty.uart_init(115200);
tty.uart_write("Hello World", 11);

上层应用只需调用接口函数，无需关注底层缓冲逻辑与中断机制，提高应用开发效率。

七、后续可拓展方向

支持 DMA 模式收发，进一步提升数据吞吐；
加入帧协议解析支持（如 Modbus、自定义帧）；
增加线程/RTOS安全访问控制；
缓冲区动态分配与多通道管理。

结语

一个好的串口模块设计，往往是嵌入式系统稳定运行的基础。本文介绍的环形缓冲机制与中断控制结合的串口收发架构，具有良好的通用性、扩展性与实际工程适用性，值得在项目中加以实践与改进。

如你也在做基于 STM32 的嵌入式项目，这套结构可以帮助你快速搭建一个健壮、可扩展的串口通信模块。

开源代码：

#include "ringbuffer.h"
#include <string.h>
#include <stddef.h>

#define min(a,b) ( (a) < (b) )? (a):(b)     
     
/*
 *@brief      构造一个空环形缓冲区
 *@param[in]  r    - 环形缓冲区管理器
 *@param[in]  buf  - 数据缓冲区
 *@param[in]  len  - buf长度(必须是2的N次幂)
 *@retval     bool
 */
bool ring_buf_init(ring_buf_t *r,unsigned char *buf, unsigned int len)
{
    r->buf    = buf;
    r->size   = len;
    r->front  = r->rear = 0;
    return buf != NULL && (len & len -1) == 0;
}

/*
 *@brief      清空环形缓冲区 
 *@param[in]  r - 待清空的环形缓冲区
 *@retval     none
 */
void ring_buf_clr(ring_buf_t *r)
{
    r->front = r->rear = 0;
}

/*
 *@brief      获取环形缓冲区数据长度
 *@retval     环形缓冲区中有效字节数 
 */
unsigned int ring_buf_len(ring_buf_t *r)
{
    return r->rear - r->front;
}

/*
 *@brief       将指定长度的数据放到环形缓冲区中 
 *@param[in]   buf - 数据缓冲区
 *             len - 缓冲区长度 
 *@retval      实际放到中的数据 
 */
unsigned int ring_buf_put(ring_buf_t *r,unsigned char *buf,unsigned int len)
{
    unsigned int i;
    unsigned int left;
    left = r->size + r->front - r->rear;
    len  = min(len , left);
    i    = min(len, r->size - (r->rear & r->size - 1));   
    memcpy(r->buf + (r->rear & r->size - 1), buf, i); 
    memcpy(r->buf, buf + i, len - i);
    r->rear += len;     
    return len;
    
}

/*
 *@brief       从环形缓冲区中读取指定长度的数据 
 *@param[in]   len - 读取长度 
 *@param[out]  buf - 输出数据缓冲区
 *@retval      实际读取长度 
 */
unsigned int ring_buf_get(ring_buf_t *r,unsigned char *buf,unsigned int len)
{
    unsigned int i;
    unsigned int left;    
    left = r->rear - r->front;
    len  = min(len , left);                                
    i    = min(len, r->size - (r->front & r->size - 1));
    memcpy(buf, r->buf + (r->front & r->size - 1), i);    
    memcpy(buf + i, r->buf, len - i);   
    r->front += len;
    return len;
}

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高效的串口通信设计:基于 STM32 的环形缓冲区收发机制