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一. 简介

本文简单学习一下， uart通信中，发送和接收有哪些实现方式，各自有哪些优缺点。

二. 串口通信中发送 / 接收有哪些实现方式

在串口通信（UART、RS-232/485 等）中，发送与接收的实现方式核心围绕 “硬件资源依赖” 和 “软件控制逻辑” 展开，主要可分为硬件自动实现、软件轮询实现、中断驱动实现三大类，部分场景还会结合DMA（直接内存访问） 优化数据传输效率。不同方式在资源占用、实时性、复杂度等维度差异显著。

1. 硬件自动实现（纯硬件控制）

原理：依赖专用串口芯片（如 UART 控制器、RS-485 收发器）或 MCU 内置的硬件串口模块，数据发送 / 接收由硬件逻辑自动完成 —— 无需 CPU 干预，仅需在初始化时配置波特率、数据位、校验位等参数，硬件会自动处理时序（如起始位、停止位检测）、数据缓冲和校验计算。

优点：

CPU 占用极低：硬件自主完成传输，CPU 仅需在数据就绪时读取 / 写入缓冲，无持续干预；
实时性强：硬件时序精度高（不受 CPU 调度影响），适合高波特率（如 115200bps、1Mbps）传输；
稳定性高：避免软件时序误差导致的传输错误，支持自动校验（奇偶校验、CRC）；
开发效率高：多数 MCU 提供成熟的硬件串口驱动库，无需手动编写时序逻辑。

缺点：

硬件资源依赖：需芯片支持硬件串口模块，部分低端 MCU（如部分 8 位单片机）可能仅 1-2 个硬件 UART，多设备通信时资源不足；
灵活性有限：硬件参数（如波特率范围、数据格式）受芯片规格限制，无法自定义特殊时序（如非标准起始位）；
成本略高：独立串口芯片需额外硬件成本，集成模块会占用 MCU 引脚资源。

适用场景：

• 主流 MCU（如 STM32、51 单片机、ESP32）的硬件 UART 外设；
• 工业设备中独立的串口通信芯片（如 MAX3232、SN75176）。

2. 轮询方式（软件轮询实现，纯软件控制）

原理：不依赖硬件串口模块，完全通过软件模拟串口时序 ——CPU 通过 GPIO 引脚（自定义 TX/RX）手动生成发送时序（如拉低 TX 引脚产生起始位、按位输出数据位），或持续检测 RX 引脚电平变化以接收数据。

优点

成本低：无需额外硬件芯片，适合资源受限的低成本项目；

时序灵活：可自定义非标准串口协议

资源占用少：不需要额外的中断处理机制

缺点

CPU占用高：需要持续检查状态，浪费CPU资源

效率低：在等待期间，CPU不能执行其他任务

响应延迟：无法立即响应数据到达

适用场景

• 简单嵌入式系统

• 对实时性要求不高且CPU资源充足的应用

• 教学和原型开发

3. 中断驱动方式（硬件 + 软件协同）

原理：基于硬件串口模块，通过 “中断” 机制触发数据发送 / 接收 —— 初始化时配置串口参数和中断触发条件（如 “接收缓冲区非空”“发送缓冲区为空”），当硬件检测到触发条件时，会暂停当前 CPU 任务，跳转到中断服务函数（ISR）执行数据处理（如读取接收数据、写入发送数据），处理完成后返回原任务。

实现原理

• 发送：当发送缓冲区为空时触发中断，在中断服务程序(ISR)中填充数据

• 接收：当数据到达时触发中断，在ISR中读取数据

优点

CPU利用率高：只在需要时处理数据，减少空转

响应及时：数据到达可立即处理

稳定性高：硬件处理时序和校验，软件仅负责中断响应，减少传输错误；

缺点

实现复杂：需要编写中断服务程序

中断风暴风险：高波特率下可能频繁中断

数据丢失风险：如果ISR处理不及时可能丢失数据

适用场景

• 大多数嵌入式系统

• 对功耗敏感的应用

• 中等数据速率的通信

4. DMA 辅助实现（硬件 + DMA + 软件协同）

原理：在 “中断驱动” 基础上引入 DMA 控制器，进一步减少 CPU 干预 ——DMA 可直接在 “串口硬件缓冲区” 和 “内存（RAM）” 之间传输数据，无需 CPU 参与。仅当 DMA 完成一次数据块传输（如发送 100 字节、接收 50 字节）时，才触发一次中断通知 CPU 处理结果（如数据校验、后续逻辑）。

实现原理

• 发送：配置DMA控制器自动从内存读取数据发送

• 接收：配置DMA控制器自动将接收数据存入内存

优点

CPU占用最低：数据传输完全由DMA控制器处理

适合大数据量：可高效处理大量数据

高吞吐量：减少CPU干预，提高传输效率

缺点

硬件依赖：需要MCU支持DMA功能

配置复杂：需要正确设置DMA控制器

灵活性较低：对小数据包效率可能不高

适用场景

• 高速、大数据量串口通信（如波特率≥115200bps，单次传输 KB 级数据）；
• 对 CPU 实时性要求极高的场景（如电机控制、实时信号处理）。

5. 双缓冲/环形缓冲方式

实现原理

• 使用两个缓冲区或环形缓冲区存储数据

• 一个缓冲区用于填充时，另一个可用于处理

优点

数据吞吐量高：减少数据丢失风险

处理延迟均衡：平滑处理突发数据

适合高速通信：能处理较高波特率

缺点

内存占用多：需要额外缓冲区空间

实现较复杂：需要管理缓冲区状态

潜在数据覆盖：缓冲区满时可能覆盖未处理数据

适用场景

• 高速串口通信

• 数据流连续且量大的应用

• 需要平衡生产者和消费者速度差异的系统

6. 操作系统提供的API方式

实现原理

• 使用操作系统提供的串口API(如Linux的termios, Windows的COM API)

• 通常结合了中断和缓冲机制

优点

开发便捷：无需直接操作硬件

功能丰富：提供流量控制、超时等高级功能

可移植性：同一API可在不同平台使用

缺点

开销较大：有操作系统层开销

实时性较差：受操作系统调度影响

灵活性受限：无法进行底层优化

适用场景

• 运行在操作系统上的应用程序

• 需要快速开发的场景

• 跨平台应用

三. 总结

几种实现方式对比：

实现方式	CPU占用	实时性	实现复杂度	适用数据速率	典型应用场景
硬件自动实现	极低（≈0%）	极强	1Mbps+	需硬件串口模块	低
轮询	高	中等	低	低-中	简单嵌入式系统
中断驱动	中	高	中	中	通用嵌入式系统
DMA	低	高	高	高	高速数据采集
操作系统API	中-高	低-中	低	中	桌面/服务器应用
双缓冲	中	高	中-高	中-高	工业通信设备