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UART mit avr-gcc

aus RN-Wissen, der freien Wissensdatenbank

Hier werden zwei verschiedene Arten vorgestellt, wie die UART benutzt werden kann. Die erste Variante verzichtet auf Interrupts und pollt permanent oder auf Wunsch nach eingehenden Daten. Diese Variante ist einfach, aber nicht effizient. Die zweite Variante arbeitet mit Interrupts und erm├Âgliche eine nebenl├Ąufige Kommunikation.

Die Routinen sind erstellt worden f├╝r den USART des ATmega8. F├╝r andere AVR – neuere Modelle und solche, die mehrer UART-Module besitzen – haben die Register teilweise andere Namen. Dann gibt es z.B. Register UBRR0L, UBRR1L, etc.

Inhaltsverzeichnis

Variante 1: Ohne Interrupts

Hier eine der einfachsten M├Âglichkeiten, den Hardware-UART von AVR zu nutzen. Die Empfangs- und Sendefunktionen sind so kurz, da├č sie am besten als inline-Funktionen definiert werden. Auf Zeichen bzw. Ereignisse zu warten bezeichnet man auch als "polling".

C-Datei

Der USART wird initialisiert als UART mit dem Datenformat 8N1 (8 Datenbits, kein Parity, 1 Stopbit).

uart.c

#include "uart.h"

#define BAUDRATE 38400UL //Definition als unsigned long, sonst gibt es Fehler in der Berechnung

void uart_init (void)
{
    uint16_t ubrr = (uint16_t) ((uint32_t) F_CPU/(16*BAUDRATE) - 1);
 
    UBRRH = (uint8_t) (ubrr>>8);
    UBRRL = (uint8_t) (ubrr);
 
    // UART Receiver und Transmitter anschalten 
    // Data mode 8N1, asynchron 
    UCSRB = (1 << RXEN) | (1 << TXEN);
    UCSRC = (1 << URSEL) | (1 << UCSZ1) | (1 << UCSZ0);

    // Flush Receive-Buffer (entfernen evtl. vorhandener ung├╝ltiger Werte) 
    do
    {
        UDR;
    }
    while (UCSRA & (1 << RXC));
}

Benutzer-Schnittstelle und Header

Im Header uart.h werden die Funktionen ver├Âffentlicht und stehen in anderen Modulen zur Verf├╝gung:

extern void uart_init (void)
Initialisiert den UART und aktiviert Receiver und Transmitter.
static inline int uart_putc (const uint8_t c)
Sendet das Zeichen c ├╝ber den UART. Der return-Wert ist immer 1.
static inline uint8_t uart_getc_wait (void)
Wartet bis zum n├Ąchsten Empfang bzw. liefert das empfangene Zeichen.
static inline int uart_getc_nowait (void)
Schaut nach, ob ein Zeichen empfangen wurde und liefert dieses gegebenenfalls als int zur├╝ck (Wertebereich ist 0...255). Wurde nichts empfangen, wird -1 geliefert.

Die Defines F_CPU und BAUDRATE geben die Taktrate des AVR sowie die Baudrate an. Dabei hat F_CPU nur rein informativen Character, es ├Ąndert die CPU-Frequenz nicht! Der Define f├╝r F_CPU kann man in die Quelle dazu schreiben, oder man gibt einen Wert per Kommandozeile/Makefile an mit -DF_CPU=...

uart.h

#ifndef UART_H
#define UART_H

#include <avr/io.h>

extern void uart_init (void);

static inline int
uart_putc (const uint8_t c)
{
    // Warten, bis UDR bereit ist f├╝r einen neuen Wert 
    while (!(UCSRA & (1 << UDRE)))
        ;

    // UDR Schreiben startet die ├ťbertragung 
    UDR = c;

    return 1;
}

static inline uint8_t
uart_getc_wait (void)
{
    // Warten, bis etwas empfangen wird 
    while (!(UCSRA & (1 << RXC)))
        ;

    // Das empfangene Zeichen zur├╝ckliefern 
    return UDR;
}

static inline int
uart_getc_nowait (void)
{
    // Liefer das empfangene Zeichen, falls etwas empfangen wurde; -1 sonst 
    return (UCSRA & (1 << RXC)) ? (int) UDR : -1;
}

#endif /* UART_H  */

Variante 2: Mit Interrupts

Diese Interrupt-getriebene Variante benutzt FIFO-Methoden aus dem Artikel "FIFO mit avr-gcc" zur Zwischenspeicherung der zu sendenden und empfangenen Daten.

Benutzer-Schnittstelle und Header

Im Header uart.h werden die Funktionen ver├Âffentlicht und stehen in anderen Modulen zur Verf├╝gung. Das Interface ist das gleiche wie beim Polling.

extern void uart_init (void)
Initialisiert den UART und aktiviert Receiver und Transmitter sowie den Receive-Interrupt. Die Ein- und Ausgebe-FIFO werden initialisiert. Das globale Interrupt-Enable-Flag (I-Bit in SREG) wird nicht ver├Ąndert.
extern int uart_putc (const uint8_t c)
Speichert das Zeichen c in der Ausgabe-Warteschlange. Der return-Wert ist 1, falls das Zeichen in die FIFO eingetragen wurde, und 0, falls die Ausgabe-FIFO voll ist. Der UART DATA-Interupt wird aktiviert, der die Zeichen aus der Ausgabe-FIFO ├╝ber den UART verschickt.
extern uint8_t uart_getc_wait (void)
Liefert das n├Ąchste empfangene Zeichen aus der Eingabe-FIFO bzw. wartet darauf, falls die FIFO leer ist.
extern int uart_getc_nowait (void)
Schaut nach, ob ein Zeichen empfangen wurde und liefert dieses gegebenenfalls als int zur├╝ck (Wertebereich ist 0...255). Wurde nichts empfangen, wird -1 geliefert.
static inline void uart_flush (void)
Wartet, bis die ├ťbertragung fertig ist.
uart.h
#ifndef UART_H
#define UART_H

#include <avr/io.h>

extern void uart_init (void);
extern int uart_putc (const uint8_t);
extern uint8_t uart_getc_wait (void);
extern int uart_getc_nowait (void);

static inline void uart_flush (void)
{
	while (UCSRB & (1 << UDRIE));
}

#endif /* UART_H */

C-Datei

Dateikopf und Initialisierung

#include <avr/io.h>
#include <avr/interrupt.h>
#include "uart.h"
#include "fifo.h" // erkl├Ąrt im Artikel "FIFO mit avr-gcc"

#define BAUDRATE 38400

// FIFO-Objekte und Puffer f├╝r die Ein- und Ausgabe 

#define BUFSIZE_IN  0x40
uint8_t inbuf[BUFSIZE_IN];
fifo_t infifo;

#define BUFSIZE_OUT 0x40
uint8_t outbuf[BUFSIZE_OUT];
fifo_t outfifo;

void uart_init (void)
{
    uint8_t sreg = SREG;
    uint16_t ubrr = (uint16_t) ((uint32_t) F_CPU/(16UL*BAUDRATE) - 1);

    UBRRH = (uint8_t) (ubrr>>8);
    UBRRL = (uint8_t) (ubrr);

    // Interrupts kurz deaktivieren 
    cli();

    // UART Receiver und Transmitter anschalten, Receive-Interrupt aktivieren 
    // Data mode 8N1, asynchron 
    UCSRB = (1 << RXEN) | (1 << TXEN) | (1 << RXCIE);
    UCSRC = (1 << URSEL) | (1 << UCSZ1) | (1 << UCSZ0);

    // Flush Receive-Buffer (entfernen evtl. vorhandener ung├╝ltiger Werte) 
    do
    {
        // UDR auslesen (Wert wird nicht verwendet) 
        UDR;
    }
    while (UCSRA & (1 << RXC));

    // R├╝cksetzen von Receive und Transmit Complete-Flags 
    UCSRA = (1 << RXC) | (1 << TXC);

    // Global Interrupt-Flag wieder herstellen 
    SREG = sreg;

    // FIFOs f├╝r Ein- und Ausgabe initialisieren 
    fifo_init (&infifo,   inbuf, BUFSIZE_IN);
    fifo_init (&outfifo, outbuf, BUFSIZE_OUT);
}

Interrupt-Routinen

// Empfangene Zeichen werden in die Eingabgs-FIFO gespeichert und warten dort 
ISR (USART_RXC_vect)
{
    _inline_fifo_put (&infifo, UDR);
}

// Ein Zeichen aus der Ausgabe-FIFO lesen und ausgeben 
// Ist das Zeichen fertig ausgegeben, wird ein neuer SIG_UART_DATA-IRQ getriggert 
// Ist die FIFO leer, deaktiviert die ISR ihren eigenen IRQ. 
ISR (USART_UDRE_vect)
{
    if (outfifo.count > 0)
       UDR = _inline_fifo_get (&outfifo);
    else
        UCSRB &= ~(1 << UDRIE);
}

Ein- und Ausgabe

Die Ein- und Ausgebefunktionen machen nichts weiter, als die empfangenen/zusendenden Zeichen aus der FIFO zu lesen/in die FIFO zu schreiben.

int uart_putc (const uint8_t c)
{
    int ret = fifo_put (&outfifo, c);
	
    UCSRB |= (1 << UDRIE);
	 
    return ret;
}

int uart_getc_nowait (void)
{
    return fifo_get_nowait (&infifo);
}

uint8_t uart_getc_wait (void)
{
    return fifo_get_wait (&infifo);
}

Weitere Routinen

Einen String senden

├ťbergeben wird die Start-Adresse des Strings. Die Zeichenkette wird solange durchlaufen und die Zeichen ausgegeben, bis eine '\0' (Stringende-Marke) gelesen wird.

#include <avr/interrupt.h>  // Wird nur gebraucht bei der Interrupt-Version 
#include "uart.h"

// Einen 0-terminierten String ├╝bertragen. 
void uart_puts (const char *s)
{
    do
    {
        uart_putc (*s);
    }
    while (*s++);
}

// Ein Zeilenumbruch, abh├Ąngig davon, was die Gegenstelle haben will 
// Windows: "rn" 
// Linux  : "n" 
// MacOS  : "r" 
#define CR "\r\n"

char text[] = "Hallo Welt." CR;

int main()
{
    uart_init();
    sei();   // Wird nur gebraucht bei der Interrupt-Version 

    uart_puts (text);
    uart_puts ("Hallo Welt!" CR);

    return 0;
}

Einen konstanten String senden

Unver├Ąnderliche Strings brauchen kein Platz im SRAM zu verschwenden, man l├Ąsst sie im Flash (wo sie sonst ebenfalls stehen f├╝r die SRAM-Initialisierung).

#include <avr/interrupt.h>   // Wird nur gebraucht bei der Interrupt-Version 
#include <avr/pgmspace.h>
#include "uart.h"

// Einen 0-terminierten String senden, der im Flash steht. 
void uart_puts_P (const char *s)
{
    while (1)
    {
        unsigned char c = pgm_read_byte (s);
        s++;
        if ('\0' == c)
            break;
        uart_putc (c);
    }
}

// Ein Zeilenumbruch, abh├Ąngig davon, was die Gegenstelle haben will 
// Windows: "rn" 
// Linux  : "n" 
// MacOS  : "r" 
#define CR "\r\n"

const char text_p[] PROGMEM = "Hallo Welt." CR;

int main()
{
    uart_init();
    sei();   // Wird nur gebraucht bei der Interrupt-Version 

    uart_puts_P (text_p);
    uart_puts_P (PSTR("Hallo Welt!" CR));

    return 0;
}

Siehe auch

WebLinks

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