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UART基本定义、三种编程方式、freertos内怎么用、怎么封装

文章目录

    • 串口基本概念
    • 串口的三种编程方式
      • uart编程
        • 查询方式不常用、其他两个方式用的多
        • 中断方式:
          • 代码
          • 原理
        • DMA方式:
          • 配置DMA
          • 原理
          • 代码
        • 效率最高的UART编程方式:
          • 是什么?
          • 操作
      • 在freertos里面调用uart
          • 应该怎么做?
          • 代码
      • 面向对象封装UART
        • 串口的DMA设置:
        • 编写代码:
          • 信号量:启动DAM、等待信号量、释放信号量(在回调函数)
          • 怎么封装函数
      • 编写遇到的问题
    • 寄存器
      • 串口通讯不许连续发送,串口为什么一次只发一个字节?
      • 波特率、比特率
      • 通讯协议
      • FIFO

串口基本概念

全双工
低位先行

TXD发、RXD接
起始位 | 数据位 | 校验位 | 停止位
0 8-9位 奇/偶校验 1

通讯前的约定(协议)用串口时双方要协定好没传输一个数据需要多少秒(约定好波特率)
奇偶校验位
数据位+校验位个数位奇数个,则正确
波特率bps,每一秒传输数据的位数

串口的三种编程方式

注意:中断方式和DMA方式
第一个Transmit都是使能中断,然后在中断中完成传输,在中断的最后有一个回调函数callback,callback为_weak函数,用户可以自己去写具体要求
1、查询方式
收/发数据时需要不停查看相应寄存器是否为空
2、中断方式
Transmit_IT使能中断
callback会给反馈,但也是会经常打断cpu
image.png
3、DMA
使用中断方式时,在传输、接收数据时,会发生中断,还需要 CPU 执行中断处理函数。有另外一种方法: DMA(Direct Memory Access),它可以直接在 2 个设备之间传递数据,无需 CPU 参与
DMA就是跑腿的
image.png

uart编程

查询方式不常用、其他两个方式用的多

三种方式,只实现串口2发送、串口4接收;
串口2接收、4发送省去;

中断方式:

收到一个字符就会产生一个中断,就会去中断cpu;DMA是接收完所有字符才产生一次中断
具体实现:
首先要使能中断
image.png

代码
static volatile int g_uart2_tx_complete = 0;//用来判断是否完成
static volatile int g_uart4_rx_complete = 0;void HAL_UART_TxCpltCallback(UART_HandleTypeDef *huart)
{//数据返送完毕,中断函数会调用这个回调函数if(huart == &huart2){g_uart2_tx_complete = 1;//数据发送完后就会置成1,wait看到1则置为0表示完成、如果一直是0直到超时则返回-1表示失败}
}int Wait_UART2_Tx_Complete(int timeout)
{while(g_uart2_tx_complete == 0 && timeout){vTaskDelay(1);timeout--;};if(timeout == 0)//超时return -1;else{g_uart2_tx_complete = 0;return 0;}
}void HAL_UART_RxCpltCallback(UART_HandleTypeDef *huart)
{//数据返送完毕,中断函数会调用这个回调函数if(huart == &huart4){g_uart4_rx_complete = 1;//数据发送完后就会置成1,wait看到1则置为0表示完成、如果一直是0直到超时则返回-1表示失败}
}int Wait_UART4_Rx_Complete(int timeout)
{while(g_uart4_rx_complete == 0 && timeout){vTaskDelay(1);timeout--;}if(timeout == 0)//超时return -1;else{g_uart4_rx_complete = 0;return 0;}
}
extern UART_HandleTypeDef huart4;
extern UART_HandleTypeDef huart2;//发送
int Wait_UART2_Tx_Complete(int timeout);
//接收
int Wait_UART4_Rx_Complete(int timeout);/* USER CODE END Variables */
/* Definitions for defaultTask */
osThreadId_t defaultTaskHandle;
const osThreadAttr_t defaultTask_attributes = {.name = "defaultTask",.priority = (osPriority_t) osPriorityNormal,.stack_size = 128 * 4
};/* Private function prototypes -----------------------------------------------*/
/* USER CODE BEGIN FunctionPrototypes *///任务函数
static void SPILCDTaskFunction( void *pvParameters )
{char bur[100];int cnt = 0;while(1){sprintf(bur, "lcd task test:%d" ,cnt++);//Draw_String(0, 0 , bur, 0x0000ff00, 0);vTaskDelay(1000);}}static void CH1_URAT2_TxTaskFunction( void *pvParameters )
{uint8_t c = 0;while(1){//发数据HAL_UART_Transmit_IT(&huart2, &c, 1);Wait_UART2_Tx_Complete(100);//等待发送完成vTaskDelay(500);c++;}
}static void CH2_URAT4_RxTaskFunction( void *pvParameters )
{uint8_t c = 0;char bur[100];int cnt = 0;HAL_StatusTypeDef err;while(1){//接收数据err = HAL_UART_Receive_IT(&huart4, &c, 1);//串口、内容地坿、长度㿁超旿if(Wait_UART4_Rx_Complete(10) == 0)//=0表示接收完成{sprintf(bur,"receive dataset : 0x:%02x, numember:%d",c, cnt++);Draw_String(0, 0, bur, 0x0000ff00, 0);}else{HAL_UART_AbortReceive_IT(&huart4);//超时或者出错则调用终止中断接收的函数}}}
原理

image.png
image.png

DMA方式:

在dma传输过程中不产生中断,传输完指定数量的数据后产生中断;
dma只会去中断cpu一次;
优点:DMA优势就在于可以接收很多数据;
image.png
源 | 目的 | 长度
发送:内存的源地址++、TDR
接收:RDR 、目的地址++
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配置DMA

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原理

image.png
image.png

代码

就只是把中断的代码的这些换了
image.png

效率最高的UART编程方式:
是什么?

正常的三种编程方式1启动2等待完成,一般是等到如下图设置的1000个字节都收到后停止,但是其他比如完整的数据收到了没到1000字节,以及长时间未响应、产生error就要用到IDLE中断;
等待完成如果已经收到完整的数据但是没有达到如下如1000个字节,那么就要靠IDLE中断来告知收到完整数据了。

问题:中断和DMA每次都要手工使能中断/启动DMA,如果代码里面有其他长时间的任务没结束,第二次就要等这个任务结束后才启动下一次;
方法:一开始就启动DMA

使用DAM+IDLE中断:
其他方式都可以用IDLE但是DMA是最好的,中断方式没有必要用这个,因为他要及时的获取数字每读到一个字节、就产生一次中断,去中断一次cpu
image.png
空闲而停止mcu检测到长的停止时间,就会产生IDLE中断
image.png

操作

1、一开始就使能IDLE的这个函数
image.png
2、实现回调函数
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回调函数创建队列都是在中断函数中实现的,回调函数就是在中断函数中调用的
中断里面写队列要有一个后缀FromISR

在freertos里面调用uart

image.png
多了freertos队列

应该怎么做?

image.png

代码
static volatile int g_uart2_tx_complete = 0;//用来判断是否完成
static volatile int g_uart4_rx_complete = 0;
static uint8_t g_uart4_rx_buf[100];//定义一个buff来存接收到的数据
static QueueHandle_t g_xUART4_RX_Queue;//创建队列void HAL_UART_TxCpltCallback(UART_HandleTypeDef *huart)
{//数据返鿁完毕,中断函数会调用这个回调函敿if(huart == &huart2){g_uart2_tx_complete = 1;//数据发鿁完后就会置房1,wait看到1则置丿0表示完成、如果一直是0直到超时则返囿-1表示失败}
}int Wait_UART2_Tx_Complete(int timeout)
{while(g_uart2_tx_complete == 0 && timeout){vTaskDelay(1);timeout--;};if(timeout == 0)//超时return -1;else{g_uart2_tx_complete = 0;return 0;}
}//接收完毕
void HAL_UART_RxCpltCallback(UART_HandleTypeDef *huart)
{//数据返鿁完毕,中断函数会调用这个回调函敿if(huart == &huart4){g_uart4_rx_complete = 1;//数据发鿁完后就会置房1,wait看到1则置丿0表示完成、如果一直是0直到超时则返囿-1表示失败//收到数据后把收到的数据存入buff,写队列for(int i = 0 ; i < 100; i++){xQueueSendFromISR(g_xUART4_RX_Queue,&g_uart4_rx_buf[i], NULL);}//重新启动DMA+IDLEHAL_UARTEx_ReceiveToIdle_DMA(&huart4, g_uart4_rx_buf, 100);}
}//void event,接收空闲,表示数据已经接收完成,但是还没到DMA接收设置的值
void HAL_UARTEx_RxEventCallback(UART_HandleTypeDef *huart, uint16_t Size)
{if(huart == &huart4){g_uart4_rx_complete = 1;//写队列for(int i = 0 ; i < Size; i++){xQueueSendFromISR(g_xUART4_RX_Queue,&g_uart4_rx_buf[i], NULL);}//重新启动DMA+IDLEHAL_UARTEx_ReceiveToIdle_DMA(&huart4, g_uart4_rx_buf, 100);}}//void error:重新启动DMA+IDLE
void HAL_UART_ErrorCallback(UART_HandleTypeDef *huart)
{//重启DMA+IDLEHAL_UARTEx_ReceiveToIdle_DMA(&huart4, g_uart4_rx_buf, 100);
}int Wait_UART4_Rx_Complete(int timeout)
{while(g_uart4_rx_complete == 0 && timeout){vTaskDelay(1);timeout--;}if(timeout == 0)//超时return -1;else{g_uart4_rx_complete = 0;return 0;}
}//读数据,app从队列中读数据不从串口读数据了int UART4_GetData(uint8_t *pData)
{xQueueReceive(g_xUART4_RX_Queue,pData, portMAX_DELAY);return 0;
}void UART4_RX_Start(void)
{//开始前把上面定义好的队列创建处来g_xUART4_RX_Queue = xQueueCreate( 200, 1 );//启动接收HAL_UARTEx_ReceiveToIdle_DMA(&huart4, g_uart4_rx_buf, 100);//收到的数据保存在哪里,要定义一个buff;收到后回调函数就会被调用
}
extern UART_HandleTypeDef huart4;
extern UART_HandleTypeDef huart2;
void UART4_RX_Start(void);
int UART4_GetData(uint8_t *pData);//发鿿
int Wait_UART2_Tx_Complete(int timeout);
//接收
int Wait_UART4_Rx_Complete(int timeout);/* USER CODE END Variables */
/* Definitions for defaultTask */
osThreadId_t defaultTaskHandle;
const osThreadAttr_t defaultTask_attributes = {.name = "defaultTask",.priority = (osPriority_t) osPriorityNormal,.stack_size = 128 * 4
};/* Private function prototypes -----------------------------------------------*/
/* USER CODE BEGIN FunctionPrototypes *///任务函数
static void SPILCDTaskFunction( void *pvParameters )
{char bur[100];int cnt = 0;while(1){sprintf(bur, "lcd task test:%d" ,cnt++);//Draw_String(0, 0 , bur, 0x0000ff00, 0);vTaskDelay(1000);}}static void CH1_URAT2_TxTaskFunction( void *pvParameters )
{uint8_t c = 0;while(1){//发数捿HAL_UART_Transmit_DMA(&huart2, &c, 1);Wait_UART2_Tx_Complete(100);//等待发鿁完房vTaskDelay(500);c++;}
}static void CH2_URAT4_RxTaskFunction( void *pvParameters )
{uint8_t c = 0;char bur[100];int cnt = 0;HAL_StatusTypeDef err;while(1){//一开头就调用这个函数来调用到IDLEUART4_RX_Start();err = UART4_GetData(&c);//读到的数据保存在cif(err == 0)//=0表示接收完成{sprintf(bur,"receive dataset : 0x:%02x, numember:%d",c, cnt++);Draw_String(0, 0, bur, 0x0000ff00, 0);}else{HAL_UART_DMAStop(&huart4);//超时或迅出错则调用终止中断接收的函敿}}}

200个数据,每个数据一个字节
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面向对象封装UART

构造处结构体,包含uart里面的初始话函数、构造函数等等;

串口的DMA设置:

前面只设置了uart2发送和uart4接收;
现在设置uart4接收和uart2发送;
源地址叠加和目的地址是否叠加在前面写了;
发送一定是内存到外设,接收则相反
image.pngimage.png

编写代码:

uart接收复制uart4接收,等待、获取数据、启动函数(等待接收函数不需要了删除即可,直接等待队列完成);
callback直接在callback里面复制;
getData设置超时时间;

等待函数去掉,等待队列就行了,换成freertos的信号量:
中断里面不能give互斥量mutex,啥是互斥量?信号量和互斥量
优先级的恢复工作不太好做

信号量:启动DAM、等待信号量、释放信号量(在回调函数)

image.png
过程原理
二进制信号量先定义出来->调用创建信号量函数
send函数发送出去,然后等待中断里面的callback回调函数give,计数值变成1
send函数take拿走这个1;
image.png

怎么封装的?
声明和定义结构体
image.png
把uart里面的这些函数封装起来
image.png

怎么封装函数

把这几个函数放入结构体中
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这个结构体的成员函数如下,这样就能直接定义出这个结构体,用->来初始化、发数据、收数据
image.png
image.png
代码

#include "uart_device.h"
#include <stdio.h>
#include <string.h>extern struct UART_Device g_uart2_dev;
extern struct UART_Device g_uart4_dev;static struct UART_Device *g_uart_devices[] = {&g_uart2_dev, &g_uart4_dev};//根据名字遍历这个指针,返回结构体地址
struct UART_Device * GetUARDevice(char *name)
{int i = 0;for(i = 0; i < sizeof(g_uart_devices)/sizeof(g_uart_devices[0]); i++){if(!strcmp(name, g_uart_devices[i]->name))return g_uart_devices[i];}return NULL;
}
#ifndef __UART_DEVICE_H
#define __UART_DEVICE_H#include <stdint.h>struct UART_Device {char *name;int (*Init)( struct UART_Device *pDev, int baud, char parity, int data_bit, int stop_bit);int (*Send)( struct UART_Device *pDev, uint8_t *datas, uint32_t len, int timeout);int (*RecvByte)( struct UART_Device *pDev, uint8_t *data, int timeout);
};struct UART_Device *GetUARDevice(char *name);#endif /* __UART_DEVICE_H */
//任务函数
static void SPILCDTaskFunction( void *pvParameters )
{char bur[100];int cnt = 0;while(1){sprintf(bur, "lcd task test:%d" ,cnt++);//Draw_String(0, 0 , bur, 0x0000ff00, 0);vTaskDelay(1000);}}static void CH1_URAT2_TxTaskFunction( void *pvParameters )
{ uint8_t c = 0;struct UART_Device *pdev = GetUARDevice("uart2");pdev->Init(pdev , 115200, 'N', 8, 1);while(1){pdev->Send(pdev, &c, 1, 100);vTaskDelay(500);c++;}
}static void CH2_URAT4_RxTaskFunction( void *pvParameters )
{uint8_t c = 0;char bur[100];int cnt = 0;int err;struct UART_Device *pdev = GetUARDevice("uart4");pdev->Init(pdev , 115200, 'N', 8, 1);while(1){err = pdev->RecvByte(pdev, &c, 100);if(err == 0)//=0表示接收完成{sprintf(bur,"receive dataset : 0x:%02x, numember:%d",c, cnt++);Draw_String(0, 0, bur, 0x0000ff00, 0);}else{//HAL_UART_DMAStop(&huart4);//超时或迅出错则调用终止中断接收的函敿}}}/* USER CODE END FunctionPrototypes *//*** @brief  FreeRTOS initialization* @param  None* @retval None*/
void MX_FREERTOS_Init(void) {/* USER CODE BEGIN Init *//* USER CODE END Init *//* USER CODE BEGIN RTOS_MUTEX *//* add mutexes, ... *//* USER CODE END RTOS_MUTEX *//* USER CODE BEGIN RTOS_SEMAPHORES *//* add semaphores, ... *//* USER CODE END RTOS_SEMAPHORES *//* USER CODE BEGIN RTOS_TIMERS *//* start timers, add new ones, ... *//* USER CODE END RTOS_TIMERS *//* USER CODE BEGIN RTOS_QUEUES *//* add queues, ... *//* USER CODE END RTOS_QUEUES *//* creation of defaultTask */defaultTaskHandle = osThreadNew(StartDefaultTask, NULL, &defaultTask_attributes);/* USER CODE BEGIN RTOS_THREADS *//* add threads, ... */xTaskCreate(SPILCDTaskFunction, // 函数指针, 任务函数"spi_lcd_task", // 任务的名孿200, // 栈大尿,单位为word,10表示40字节NULL, // 调用任务函数时传入的参数osPriorityNormal, // 优先线NULL ); // 任务句柄, 以后使用它来操作这个任务xTaskCreate(CH1_URAT2_TxTaskFunction, // 函数指针, 任务函数"ch1_uart2_tx_task", // 任务的名孿200, // 栈大尿,单位为word,10表示40字节NULL, // 调用任务函数时传入的参数osPriorityNormal, // 优先线NULL ); // 任务句柄, 以后使用它来操作这个任务xTaskCreate(CH2_URAT4_RxTaskFunction, // 函数指针, 任务函数"ch2_uart4_rx_task", // 任务的名孿200, // 栈大尿,单位为word,10表示40字节NULL, // 调用任务函数时传入的参数osPriorityNormal, // 优先线NULL ); // 任务句柄, 以后使用它来操作这个任务/* USER CODE END RTOS_THREADS *//* USER CODE BEGIN RTOS_EVENTS *//* add events, ... *//* USER CODE END RTOS_EVENTS */}
static SemaphoreHandle_t g_UART2_TX_Semaphore;
static uint8_t g_uart4_rx_buf[100];//定义丿个buff来存接收到的数据
static QueueHandle_t g_xUART4_RX_Queue;//创建队列static SemaphoreHandle_t g_UART4_TX_Semaphore;
static uint8_t g_uart2_rx_buf[100];
static QueueHandle_t g_xUART2_RX_Queue;
struct UART_Device;//表示这是一个结构体类型//send callback
void HAL_UART_TxCpltCallback(UART_HandleTypeDef *huart)
{//数据返鿁完毕,中断函数会调用这个回调函敿if(huart == &huart2){xSemaphoreGiveFromISR(g_UART2_TX_Semaphore, NULL);}if(huart == &huart4){xSemaphoreGiveFromISR(g_UART4_TX_Semaphore, NULL);}}//receive callback
void HAL_UART_RxCpltCallback(UART_HandleTypeDef *huart)
{//数据返鿁完毕,中断函数会调用这个回调函敿if(huart == &huart4){//收到数据后把收到的数据存入buff,写队列for(int i = 0 ; i < 100; i++){xQueueSendFromISR(g_xUART4_RX_Queue,&g_uart4_rx_buf[i], NULL);}//重新启动DMA+IDLEHAL_UARTEx_ReceiveToIdle_DMA(&huart4, g_uart4_rx_buf, 100);}if(huart == &huart2){//收到数据后把收到的数据存入buff,写队列for(int i = 0 ; i < 100; i++){xQueueSendFromISR(g_xUART2_RX_Queue,&g_uart2_rx_buf[i], NULL);}//重新启动DMA+IDLEHAL_UARTEx_ReceiveToIdle_DMA(&huart2, g_uart2_rx_buf, 100);	}
}//receive  void event,接收空闿,表示数据已经接收完成,但是还没到DMA接收设置的忿
void HAL_UARTEx_RxEventCallback(UART_HandleTypeDef *huart, uint16_t Size)
{if(huart == &huart4){//写队刿for(int i = 0 ; i < Size; i++){xQueueSendFromISR(g_xUART4_RX_Queue,&g_uart4_rx_buf[i], NULL);}//重新启动DMA+IDLEHAL_UARTEx_ReceiveToIdle_DMA(&huart4, g_uart4_rx_buf, 100);	}if(huart == &huart2){//写队刿for(int i = 0 ; i < Size; i++){xQueueSendFromISR(g_xUART2_RX_Queue,&g_uart2_rx_buf[i], NULL);}//重新启动DMA+IDLEHAL_UARTEx_ReceiveToIdle_DMA(&huart2, g_uart2_rx_buf, 100);	}
}//receive void error:重新启动DMA+IDLE
void HAL_UART_ErrorCallback(UART_HandleTypeDef *huart)
{//重启DMA+IDLEif(huart == &huart4){HAL_UARTEx_ReceiveToIdle_DMA(&huart4, g_uart4_rx_buf, 100);}if(huart == &huart2){HAL_UARTEx_ReceiveToIdle_DMA(&huart2, g_uart2_rx_buf, 100);}}//读数据,app从队列中读数据不从串口读数据亿/**************/
/**************//*  uart4接收、uart2发送  */
int UART2_Send(struct UART_Device *pDev, uint8_t *datas,uint32_t len, int timeout)
{HAL_UART_Transmit_DMA(&huart2, datas, len);//wait Semaphore 信号量if(pdTRUE == xSemaphoreTake(g_UART2_TX_Semaphore,timeout))return 0;elsereturn -1;
}int UART4_GetData(struct UART_Device *pDev,uint8_t *pData, int timeout)
{if(pdPASS == xQueueReceive(g_xUART4_RX_Queue,pData, timeout))return 0;else return -1;
}int UART4_RX_Start(struct UART_Device *pDev, int baud, char parity, int data_bit, int stop_bit)
{//弿始前把上面定义好的队列创建处板if(!g_xUART2_RX_Queue) {g_xUART4_RX_Queue = xQueueCreate( 200, 1 );//启动接收HAL_UARTEx_ReceiveToIdle_DMA(&huart4, g_uart4_rx_buf, 100);//收到的数据保存在哪里,要定义1个buff;收到后回调函数就会被调用//创建信号量g_UART4_TX_Semaphore = xSemaphoreCreateBinary();}return 0;
}/*****************/
/*  uart2接收、uart4发送  */
int UART2_GetData(struct UART_Device *pDev, uint8_t *pData, int timeout)
{if(pdPASS == xQueueReceive(g_xUART2_RX_Queue,pData, timeout))return 0;else return -1;
}int UART2_RX_Start(struct UART_Device *pDev, int baud, char parity, int data_bit, int stop_bit)
{if (!g_xUART2_RX_Queue){g_xUART2_RX_Queue = xQueueCreate(200, 1);g_UART2_TX_Semaphore = xSemaphoreCreateBinary();HAL_UARTEx_ReceiveToIdle_DMA(&huart2, g_uart2_rx_buf, 100);}return 0;
}int UART4_Send(struct UART_Device *pDev, uint8_t *datas,uint32_t len, int timeout)
{HAL_UART_Transmit_DMA(&huart4, datas, len);//wait Semaphore 信号量if(pdTRUE == xSemaphoreTake(g_UART4_TX_Semaphore,timeout))return 0;elsereturn -1;
}struct UART_Device g_uart2_dev = {"uart2", UART2_RX_Start, UART2_Send, UART2_GetData};
struct UART_Device g_uart4_dev = {"uart4", UART4_RX_Start, UART4_Send, UART4_GetData};

编写遇到的问题

1、./Core/Src/usart.c(377): warning: passing ‘volatile uint8_t [100]’ to parameter of type ‘uint8_t *’ (aka ‘unsigned char *’) discards qualifiers [-Wincompatible-pointer-types-discards-qualifiers]
image.png
image.png
image.png

2、undefined symbol
把static去掉后就好了
image.png
image.png
另一个文件
image.png

寄存器

串口通讯不许连续发送,串口为什么一次只发一个字节?

1、避免累计误差;
2、串口通讯是异步发送,就是发送方和接受方有各自的时钟,时钟不同步,时钟同步的话可以发好多个字节;

波特率、比特率

波特率表示每秒传输信号的状态数,如果一个波形传输一个bit,那就=bit率,每秒传输的二进制位
一个波形传输n个比特
波特率= n比特率
image.png
总之:
波特率: 1 秒内传输信号的状态数(波形数)。比特率: 1 秒内传输数据的 bit数。如果一个波形,能表示 N 个 bit,那么:波特率 * N = 比特率。

通讯协议

并行8根线一次发8位
image.png
串行通信一根线发
image.png

单工,只能单向
双工双向,半双工一条通道接受和发送不能同时工作
全双工两个通道可以,同时收发
image.png

FIFO

FIFO(First In First Out,即先入先出),是一种数据缓冲器。先被写入的数据会按顺序先被读出。FIFO可看做一个管道,有数据写入端口和 数据读取端口:

设置异步通信
image.png

设置数据位,校验位、波特率、停止位
image.png

memset
image.png

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