STM32HAL 快速入门（十九）：UART 编程（二）—— 中断方式实现收发及局限分析

前言

大家好，这里是 Hello_Embed。上一篇我们用查询方式实现了 UART 收发，但存在 “数据不及时读取易丢失” 的问题。本篇将介绍中断方式—— 通过硬件中断主动通知 CPU 处理收发，减少 CPU 资源占用，同时分析其在复杂场景下的局限性，为下一篇 “中断 + 环形缓冲区” 的改进方案铺垫。

一、中断方式的核心优势与函数

中断方式的核心是 “硬件触发中断，CPU 仅在需要时处理”，无需轮询状态寄存器，显著提升效率。HAL 库中 UART 中断相关的核心函数如下：

二、CubeMX 配置：使能 UART 中断

在查询方式配置的基础上，只需额外使能 UART 中断（NVIC），步骤如下：

1. 进入 “Connectivity→USART1→NVIC Settings”，勾选 “Enabled” 使能 USART1 中断：
   

2. 其他配置（波特率 115200、8 位数据位等）与查询方式一致，生成代码。

三、中断发送：从启动到完成的流程

中断发送的核心是 “CPU 启动发送后即可处理其他任务，发送完成后通过回调函数通知”，具体流程如下：

1. 启动中断发送：HAL_UART_Transmit_IT

函数定义与核心逻辑：

HAL_StatusTypeDef HAL_UART_Transmit_IT(UART_HandleTypeDef *huart, const uint8_t *pData, uint16_t Size)
{
  if (huart->gState == HAL_UART_STATE_READY)  // 检查UART是否空闲
  {
    huart->pTxBuffPtr = pData;                // 记录发送数据地址
    huart->TxXferSize = Size;                 // 总长度
    huart->TxXferCount = Size;                // 剩余长度（初始等于总长度）
    
    huart->gState = HAL_UART_STATE_BUSY_TX;   // 标记为发送中
    __HAL_UART_ENABLE_IT(huart, UART_IT_TXE); // 使能TXE中断（TDR寄存器空）
    return HAL_OK;
  }
  return HAL_BUSY;  // 若UART忙碌，返回忙状态
}

关键：函数仅配置参数并使能中断，不直接发送数据，实际发送由 TXE 中断完成。

2. 中断服务函数：数据发送的核心执行

当 TDR 寄存器为空（数据已转移到移位寄存器）时，触发 TXE 中断，执行流程如下：

1. 中断入口：USART1_IRQHandler（异常向量表中的串口 1 中断入口）；
   

2. 跳转至 HAL 库通用处理函数：HAL_UART_IRQHandler(&huart1)；

3. 核心发送逻辑（UART_Transmit_IT）：

// 从缓冲区取1字节写入TDR寄存器
huart->Instance->DR = (uint8_t)(*huart->pTxBuffPtr++ & 0x00FF);
huart->TxXferCount--;  // 剩余长度减1

if (huart->TxXferCount == 0)  // 若所有数据发送完成
{
  __HAL_UART_DISABLE_IT(huart, UART_IT_TXE);  // 关闭TXE中断
  __HAL_UART_ENABLE_IT(huart, UART_IT_TC);    // 使能TC中断（发送完成）
}

• TXE 中断：每发送 1 字节触发一次（除最后 1 字节），共触发Size-1次；
• TC 中断：最后 1 字节从移位寄存器发送完成后触发，标记整个发送流程结束。

3. 发送完成回调：HAL_UART_TxCpltCallback

TC 中断触发后，HAL 库会调用发送完成回调函数（需用户重定义，默认是weak弱函数），用于通知 “发送已完成”。
在usart.c中重定义回调函数：

/* USER CODE BEGIN 1 */
static volatile int g_tx_cplt = 0;  // 发送完成标志（volatile确保中断与主程序可见）

// 发送完成回调：置位标志
void HAL_UART_TxCpltCallback(UART_HandleTypeDef *huart)
{
  if (huart == &huart1)  // 确认是USART1
    g_tx_cplt = 1;
}

// 等待发送完成：主程序中调用，避免轮询
void Wait_Tx_Complete(void)
{
  while (g_tx_cplt == 0);  // 等待标志置位
  g_tx_cplt = 0;           // 复位标志
}
/* USER CODE END 1 */

4. 主程序调用：中断发送示例

在main.c中发送字符串，通过Wait_Tx_Complete等待发送完成：

/* USER CODE BEGIN PV */
extern void Wait_Tx_Complete(void);  // 声明等待函数
/* USER CODE END PV */

/* USER CODE BEGIN 2 */
char *str = "Hello_Embed (Interrupt Tx)!\r\n";
/* USER CODE END 2 */

while (1)
{
  // 启动中断发送
  HAL_UART_Transmit_IT(&huart1, (uint8_t *)str, strlen(str));
  Wait_Tx_Complete();  // 等待发送完成（不占用CPU，仅在完成后继续）
}

实验结果：串口工具可稳定接收字符串，证明中断发送成功：

四、中断接收：从启动到完成的流程

中断接收的逻辑与发送类似：启动接收后，CPU 可处理其他任务，接收完成后通过回调函数通知。

1. 启动中断接收：HAL_UART_Receive_IT

函数会使能 RXNE 中断（RDR 寄存器非空），等待数据到来：

HAL_StatusTypeDef HAL_UART_Receive_IT(UART_HandleTypeDef *huart, uint8_t *pData, uint16_t Size)
{
  // 类似发送函数，记录接收缓冲区地址、长度，使能RXNE中断
  __HAL_UART_ENABLE_IT(huart, UART_IT_RXNE);  // 关键：使能接收非空中断
  return HAL_OK;
}

2. 中断服务函数：数据接收的核心执行

当 RDR 寄存器有数据（接收完成 1 字节）时，触发 RXNE 中断，执行流程如下：

1. 中断入口同样是USART1_IRQHandler，跳转至HAL_UART_IRQHandler；
2. 核心接收逻辑（UART_Receive_IT）：

// 从RDR寄存器读取1字节到缓冲区
*huart->pRxBuffPtr++ = (uint8_t)(huart->Instance->DR & 0x007F);
huart->RxXferCount--;  // 剩余接收长度减1

if (huart->RxXferCount == 0)  // 若接收完成
{
  __HAL_UART_DISABLE_IT(huart, UART_IT_RXNE);  // 关闭RXNE中断
  HAL_UART_RxCpltCallback(huart);              // 调用接收完成回调
}

3. 接收完成回调：HAL_UART_RxCpltCallback

需用户重定义，用于标记接收完成：

/* USER CODE BEGIN 1 */
static volatile int g_rx_cplt = 0;  // 接收完成标志

void HAL_UART_RxCpltCallback(UART_HandleTypeDef *huart)
{
  if (huart == &huart1)  // 确认是USART1
    g_rx_cplt = 1;
}

// 等待接收完成
void Wait_Rx_Complete(void)
{
  while (g_rx_cplt == 0);  // 等待标志置位
  g_rx_cplt = 0;           // 复位标志
}
/* USER CODE END 1 */

4. 主程序调用：中断接收示例

目标：接收电脑发送的字符，加 1 后返回：

/* USER CODE BEGIN 2 */
char *str1 = "Please enter a char : \r\n";
char c;  // 存储接收的字符
extern void Wait_Tx_Complete(void);
extern void Wait_Rx_Complete(void);
/* USER CODE END 2 */

while (1)
{
  // 发送提示信息
  HAL_UART_Transmit_IT(&huart1, (uint8_t *)str1, strlen(str1));
  Wait_Tx_Complete();
  
  // 启动中断接收1字节
  HAL_UART_Receive_IT(&huart1, (uint8_t *)&c, 1);
  Wait_Rx_Complete();  // 等待接收完成
  
  // 字符加1后返回
  c += 1;
  HAL_UART_Transmit_IT(&huart1, (uint8_t *)&c, 1);
  Wait_Tx_Complete();
  HAL_UART_Transmit_IT(&huart1, (uint8_t *)"\r\n", 2, 1000);
  Wait_Tx_Complete();
}

五、中断方式的局限性：仍存在数据丢失

上述代码在简单场景下可工作，但快速发送多字节时，仍会出现数据丢失，原因如下：

• 接收完成后，需重新调用HAL_UART_Receive_IT才能继续接收下一字节；
• 若 CPU 正在执行耗时操作（如HAL_UART_Transmit_IT发送返回数据），未及时重新使能接收中断，新数据会覆盖 RDR 寄存器中的旧数据，导致丢失。
  例如，电脑快速发送 “123”，单片机仅收到 “1” ，只返回 “2”：
  

总结

中断方式通过 “硬件触发 + 回调通知” 减少了 CPU 轮询的资源占用，比查询方式更高效，但单纯的中断接收仍存在缺陷 ——未及时重新使能中断会导致数据丢失。因此需要改进中断方式的接收函数，这也是我下一篇笔记的内容，或者使用DMA的方式。

结尾

本文介绍了 UART 中断方式的收发流程，理解了回调函数的作用及 HAL 库中断处理的逻辑，同时明确了当前实现的局限性。下一篇我们将学习改进中断方式的方法，彻底解决 UART 数据丢失问题。
Hello_Embed 继续带你深入 UART 编程的进阶技巧，敬请期待～