ATtiny88初体验（三）：串口
ATtiny88单片机不包含串口模块，因此只能使用软件方式模拟串口时序。
串口通信时序通常由起始位、数据位、校验位和停止位四个部分组成，常见的配置为1位起始位、8位数据位、无校验位和1位停止位。
模拟串口发送时序
- 设置TX引脚为输出模式，初始电平状态为高电平。
设置定时器周期，以9600波特率为例，将定时器周期设为 \(\frac{1s}{9600} \approx 104us\) 。
TX引脚输出低电平（起始位），同时开启定时器。
之后的8次定时器中断，每次输出1位数据，从低位开始。
第9次定时器中断，TX引脚输出高电平（停止位）。
第10次定时器中断，关闭定时器。
模拟串口接收时序
- 设置RX引脚为输入模式，使能上拉电阻，开启下降沿中断。
当接收到起始位时，触发下降沿中断，设置定时器周期为 \(\frac{1s}{9600} \times \frac{1}{6} \approx 17us\) ，开启定时器。
之后的30次定时器中断，对RX引脚的电平状态进行计数（起始位）。
第1次定时器中断，将定时器周期重设为 \(\frac{1s}{9600} \times \frac{1}{3} \approx 35us\) 。
第3次定时器中断，如果高电平数量大于低电平数量，则表示起始位接收失败，直接关闭定时器，并开启下降沿中断。
第6/9/.../24/27次定时器中断，判断高电平和低电平的数量，选取数量多的那个电平作为数据位，从低位开始填充。
第30次定时器中断，关闭定时器中断，开启下降沿中断，如果高电平数量大于低电平数量，则表示成功接收到停止位，数据有效。
外部中断
ATtiny88有8个外部中断源：INT0、INT1、PCI0、PCI1、PCI2、PCI3。其中INT0/1支持低电平/下降沿/上升沿触发，PCI0/1/2/3在引脚状态改变时触发。
ATtiny88外部中断和引脚的对应关系如下：
| 中断源 | 引脚 |
|---|---|
| INT0 | PD2 |
| INT1 | PD3 |
| PCI0 | PB[0:7] -> PCINT[0:7] |
| PCI1 | PC[0:7] -> PCINT[8:15] |
| PCI2 | PD[0:7] -> PCINT[16:23] |
| PCI3 | PA[0:3] -> PCINT[24:27] |
注意：即使引脚配置为输出模式，也能触发相应的中断。
寄存器
ISC1[1:0] ：设置INT1中断触发方式。
ISC0[1:0] ：设置INT0中断触发方式，取值同 ISC1[1:0] 。
INT1 ：设为1使能INT1中断。
INT0 ：设为1使能INT0中断。
INTF1 ：INT1中断标志位，执行中断函数时自动清零，也可以写1清零。
INTF0 ：INT0中断标志位，执行中断函数时自动清零，也可以写1清零。
PCIE3 ：设为1使能PCI3（PCINT[27:24]）中断。
PCIE2 ：设为1使能PCI2（PCINT[23:16]）中断。
PCIE1 ：设为1使能PCI1（PCINT[15:8]）中断。
PCIE0 ：设为1使能PCI0（PCINT[7:0]）中断。
PCIF3 ：PCI3（PCINT[27:24]）中断标志位，执行中断函数时自动清零，也可以写1清零。
PCIF2 ：PCI2（PCINT[23:16]）中断标志位，执行中断函数时自动清零，也可以写1清零。
PCIF1 ：PCI1（PCINT[15:8]）中断标志位，执行中断函数时自动清零，也可以写1清零。
PCIF0 ：PCI0（PCINT[7:0]）中断标志位，执行中断函数时自动清零，也可以写1清零。
PCINTx ：设为1使能PCINTx中断。
代码实现
inc/serial.h 头文件的代码内容如下：
#pragma once
#include <stdint.h>
#define UART (&serial)
typedef struct {
const uint8_t *cfg;
uint8_t flag;
uint8_t tx_idx;
uint8_t tx_temp;
uint8_t tx_data;
uint8_t rx_idx;
uint8_t rx_temp;
uint8_t rx_data;
uint8_t rx_cnt;
} serial_t;
typedef enum {
SERIAL_BR_1200 = 0,
SERIAL_BR_2400,
SERIAL_BR_4800,
SERIAL_BR_9600,
SERIAL_BR_19200,
SERIAL_BR_38400,
SERIAL_BR_57600,
SERIAL_BR_115200
} serial_baudrate_t;
typedef enum {
SERIAL_FLAG_TXE = 0x01,
SERIAL_FLAG_RXNE = 0x02
} serial_flag_t;
extern serial_t serial;
void serial_setup(serial_t *serial, serial_baudrate_t br);
uint8_t serial_get_flag(serial_t *serial, serial_flag_t flag);
void serial_send_data(serial_t *serial, uint8_t data);
uint8_t serial_receive_data(serial_t *serial);
src/serial.c 源文件的代码内容如下，其中将PD1引脚定义为TX，将PD2引脚定义为RX：
#include <serial.h>
#include <avr/io.h>
#include <avr/interrupt.h>
serial_t serial;
static const uint8_t serial_cfg[] = {
0x03, 208, 35, 69, // 1200
0x03, 104, 17, 35, // 2400
0x03, 52, 9, 17, // 4800
0x02, 208, 35, 69, // 9600
0x02, 104, 17, 35, // 19200
0x02, 52, 9, 17, // 38400
0x02, 35, 6, 12, // 57600
0x01, 139, 23, 46, // 115200
};
void serial_setup(serial_t *serial, serial_baudrate_t br)
{
serial->cfg = &serial_cfg[br * 4];
serial->flag = SERIAL_FLAG_TXE; // initial value for serial->flag
// setup tx pin
PORTD |= _BV(PORTD1); // PD1 outputs high level
DDRD |= _BV(DDD1); // set PD1 as output
// setup rx pin
PORTD |= _BV(PORTD2); // enable PD2 pull-up resistance
DDRD &= ~_BV(DDD2); // set PD2 as input
// setup INT0
EICRA &= ~(_BV(ISC01) | _BV(ISC00));
EICRA |= _BV(ISC01); // the falling edge of INT0 generates an interrupt request
EIFR = _BV(INTF0); // clear INT0 interrupt flag
EIMSK |= _BV(INT0); // enable INT0 interrupt
// setup TIMER0
TCNT0 = 0; // clear counter
TIMSK0 = 0; // disable all interrupts of TIMER0
TIFR0 = _BV(OCF0B) | _BV(OCF0A); // clear TIMER0_COMPA & TIMER0_COMPB interrupt flags
TCCR0A = serial->cfg[0]; // set mode & prescaler of TIMER0
}
uint8_t serial_get_flag(serial_t *serial, serial_flag_t flag)
{
return serial->flag & flag;
}
void serial_send_data(serial_t *serial, uint8_t data)
{
serial->flag &= ~SERIAL_FLAG_TXE; // clear TXE flag
serial->tx_data = data; // store the data to transmit
serial->tx_temp = data;
serial->tx_idx = 0; // reset index of transmission
OCR0A = TCNT0 + serial->cfg[1] - 1; // set period of TIMER0_COMPA
PORTD &= ~_BV(PORTD1); // PD1 outputs low level
TIFR0 = _BV(OCF0A); // clear TIMER0_COMPA interrupt flag
TIMSK0 |= _BV(OCIE0A); // enable TIMER0_COMPA interrupt
}
uint8_t serial_receive_data(serial_t *serial)
{
uint8_t data = serial->rx_data; // read the data received
serial->flag &= ~SERIAL_FLAG_RXNE; // clear RXNE flag
return data;
}
static inline void serial_tx_timer_isr(serial_t *serial)
{
if (serial->tx_idx < 8) { // send databits
if (serial->tx_temp & 0x01) { // output the lowest bit
PORTD |= _BV(PORTD1);
} else {
PORTD &= ~_BV(PORTD1);
}
serial->tx_temp >>= 1;
} else if (serial->tx_idx == 8) { // send stopbit
PORTD |= _BV(PORTD1);
} else { // end of transmission
serial->flag |= SERIAL_FLAG_TXE; // set TXE flag
TIMSK0 &= ~_BV(OCIE0A); // disable TIMER0_COMPA interrupt
}
OCR0A += serial->cfg[1]; // set time of the next interrupt
serial->tx_idx++; // update index of transmission
}
static inline void serial_rx_int_isr(serial_t *serial)
{
OCR0B = TCNT0 + serial->cfg[2] - 1; // set time of the first TIMER0_COMPB interrupt
EIMSK &= ~_BV(INT0); // disable INT0 interrupt
TIFR0 = _BV(OCF0B); // clear TIMER0_COMPB interrupt flag
TIMSK0 |= _BV(OCIE0B); // enable TIMER0_COMPB interrupt
serial->rx_idx = 0; // reset index of reception
serial->rx_cnt = 0; // clear counter of 0/1
}
static inline void serial_rx_timer_isr(serial_t *serial)
{
serial->rx_cnt += PIND & _BV(PIND2) ? 0x10 : 0x01; // count 0/1
if (serial->rx_idx == 2) { // receive startbit
if (serial->rx_cnt > 0x20) { // if startbit is '1'
TIMSK0 &= ~_BV(OCIE0B); // disable TIMER0_COMPB interrupt
EIFR = _BV(INTF0); // clear INT0 interrupt flag
EIMSK |= _BV(INT0); // enable INT0 interrupt flag
}
serial->rx_cnt = 0; // reset counter of 0/1
} else if (serial->rx_idx == 29) { // receive stopbit
if (serial->rx_cnt > 0x20) { // if stopbit is '1'
serial->rx_data = serial->rx_temp; // the data received is valid, store it to serial->rx_data
serial->flag |= SERIAL_FLAG_RXNE; // set RXNE flag
}
TIMSK0 &= ~_BV(OCIE0B); // disable TIMER0_COMPB interrupt
EIFR = _BV(INTF0); // clear INT0 interrupt flag
EIMSK |= _BV(INT0); // clear INT0 interrupt flag
} else if (serial->rx_idx % 3 == 2) { // receive databits
serial->rx_temp >>= 1;
if (serial->rx_cnt > 0x20) {
serial->rx_temp |= 0x80;
}
serial->rx_cnt = 0; // reset counter of 0/1
}
OCR0B += serial->cfg[3]; // set time of the next interrupt
serial->rx_idx++; // update index of reception
}
ISR(TIMER0_COMPA_vect)
{
uint8_t sreg = SREG;
serial_tx_timer_isr(UART);
SREG = sreg;
}
ISR(INT0_vect)
{
uint8_t sreg = SREG;
serial_rx_int_isr(UART);
SREG = sreg;
}
ISR(TIMER0_COMPB_vect)
{
uint8_t sreg = SREG;
serial_rx_timer_isr(UART);
SREG = sreg;
}
注意：实测115200以下（含）的波特率发送都正常，但是9600以上（不含）的波特率接收不正常，建议日常使用9600波特率。
重定向stdio到串口
为了更方便的使用串口，可以将标准输入输出重定向到串口，在AVR GCC中的做法如下：
定义输入和输出的接口函数，原型如下：
int putc(char c, FILE *stream);
int getc(FILE *stream);
使用 FDEV_SETUP_STREAM 创建一个stream。
FILE s = FDEV_SETUP_STREAM(putc, getc, flag)
将上面创建的stream替换掉 stdout / stdin 。
stdout = stdin = &s;
代码实现
src/main.c 源文件的代码内容如下：
#include <stdint.h>
#include <stdio.h>
#include <avr/io.h>
#include <avr/interrupt.h>
#include <serial.h>
static void stdio_setup(void);
int main(void)
{
cli();
stdio_setup();
sei();
printf("Hello, ATtiny88!\r\n");
for (;;) {
putchar(getchar());
}
}
static int serial_putchar(char c, FILE *stream)
{
while (!serial_get_flag(UART, SERIAL_FLAG_TXE));
serial_send_data(UART, c);
return 0;
}
static int serial_getchar(FILE *stream)
{
while (!serial_get_flag(UART, SERIAL_FLAG_RXNE));
return serial_receive_data(UART);
}
static void stdio_setup(void)
{
static FILE f = FDEV_SETUP_STREAM(serial_putchar, serial_getchar, _FDEV_SETUP_RW);
serial_setup(UART, SERIAL_BR_9600);
stdout = &f;
stdin = &f;
}
参考资料
- avr-libc: <stdio.h>: Standard IO facilities
ATtiny88 Datasheet
