# 串口
grbl使用串口从上位机接收信息，并通过串口反馈给上位机。共分为以下几部分：1.串口的配置，如波特率、停止位、校验位等；2.使用环形队列 作为缓冲器，用以匹配上位机和单片机的速度差异，分为输入缓冲器和输出缓冲器； 3.串口数据的简单分配，即分为实时响应和普通响应（放入队列）。
# 串口配置
# 串口初始化
// 串口初始化
void serial_init()
{
// 设置波特率
#if BAUD_RATE < 57600
uint16_t UBRR0_value = ((F_CPU / (8L * BAUD_RATE)) - 1)/2 ;
UCSR0A &= ~(1 << U2X0); // 关闭波特率倍增器。 - 只在Uno xxx上需要。
#else
uint16_t UBRR0_value = ((F_CPU / (4L * BAUD_RATE)) - 1)/2;
UCSR0A |= (1 << U2X0); // 波特率高的波特率倍增器开启，即115200
#endif
// 波特率是比较大的数字，需要两个8位寄存器存放
UBRR0H = UBRR0_value >> 8; // 高8位右移到低8位，放入高8位寄存器，右移不会改变源数值
UBRR0L = UBRR0_value; // 第八位直接放入低8位寄存器
// 启用接收，发送和接收完成一个字节的中断
UCSR0B |= (1<<RXEN0 | 1<<TXEN0 | 1<<RXCIE0);
// 默认协议是8位，无奇偶校验，1个停止位
}
代码解析：
UBRR0（串口波特率寄存器）： 这是一个16位的寄存器，需要两次分别传入一个高字节UBRR0H和低字节UBRR0L,根据公式UBBR0=(F_CPU/(4*BAUD_RATE)-1)/2,F_CPU设置为16000000（跟硬件一致），BAUD_RATE配置为115200，得出结果为16.36111111111111取整后得到16，跟手册Table19-12中的波特率为115200时的值16一致（注1）。
UCSR0A（串口控制及状态寄存器A）： 在高波特率时（>57600）使能的波特率倍增器U2X0以减少误差，但是为了保证在较老的Arduino设备上禁用波特率倍增器用以兼容它们的bootloader。
UCSR0B（串口控制及状态寄存器B）： 使能串口接受RXEN0和串口发送功能TXEN0, 并使能串口接受完成中断RXCIE0，串口发送中断只在需要时开启。
UCSR0C（串口控制及状态寄存器C）： UMSEL0(串口模式选择位)，默认为00即异步串口， UPMSEL0(串口校验模式选择位)，默认为00即默认无奇偶校验。USBS0(串口停止位模式选择位)默认为0即1停止位。UCSZ0(串口字符长度寄存器)，默认为011即8位字符。这些都是默认值，不需要手动再配置。
# 串口中断处理：
串口接收中断：
// 串口数据接收中断处理
ISR(SERIAL_RX)
{
uint8_t data = UDR0; // 从串口数据寄存器取出数据
uint8_t next_head; // 初始化下一个头指针
// 直接从串行流中选取实时命令字符。这些字符不被传递到主缓冲区，但是它们设置了实时执行的系统状态标志位。
switch (data) {
case CMD_RESET: mc_reset(); break; // 调用运动控制重置程序
case CMD_STATUS_REPORT: system_set_exec_state_flag(EXEC_STATUS_REPORT); break; // 状态报告
case CMD_CYCLE_START: system_set_exec_state_flag(EXEC_CYCLE_START); break; // 循环开始
case CMD_FEED_HOLD: system_set_exec_state_flag(EXEC_FEED_HOLD); break; // 进给保持
default :
if (data > 0x7F) { // 实时控制都是扩展的ASCII字符
switch(data) {
case CMD_SAFETY_DOOR: system_set_exec_state_flag(EXEC_SAFETY_DOOR); break; // 设置为 true
case CMD_JOG_CANCEL:
if (sys.state & STATE_JOG) { // 阻止所有其他状态，调用运动取消。
system_set_exec_state_flag(EXEC_MOTION_CANCEL);
}
break;
#ifdef DEBUG
case CMD_DEBUG_REPORT: {uint8_t sreg = SREG; cli(); bit_true(sys_rt_exec_debug,EXEC_DEBUG_REPORT); SREG = sreg;} break;
#endif
// 以下为实时覆盖命令
case CMD_FEED_OVR_RESET: system_set_exec_motion_override_flag(EXEC_FEED_OVR_RESET); break;
case CMD_FEED_OVR_COARSE_PLUS: system_set_exec_motion_override_flag(EXEC_FEED_OVR_COARSE_PLUS); break;
case CMD_FEED_OVR_COARSE_MINUS: system_set_exec_motion_override_flag(EXEC_FEED_OVR_COARSE_MINUS); break;
case CMD_FEED_OVR_FINE_PLUS: system_set_exec_motion_override_flag(EXEC_FEED_OVR_FINE_PLUS); break;
case CMD_FEED_OVR_FINE_MINUS: system_set_exec_motion_override_flag(EXEC_FEED_OVR_FINE_MINUS); break;
case CMD_RAPID_OVR_RESET: system_set_exec_motion_override_flag(EXEC_RAPID_OVR_RESET); break;
case CMD_RAPID_OVR_MEDIUM: system_set_exec_motion_override_flag(EXEC_RAPID_OVR_MEDIUM); break;
case CMD_RAPID_OVR_LOW: system_set_exec_motion_override_flag(EXEC_RAPID_OVR_LOW); break;
case CMD_SPINDLE_OVR_RESET: system_set_exec_accessory_override_flag(EXEC_SPINDLE_OVR_RESET); break;
case CMD_SPINDLE_OVR_COARSE_PLUS: system_set_exec_accessory_override_flag(EXEC_SPINDLE_OVR_COARSE_PLUS); break;
case CMD_SPINDLE_OVR_COARSE_MINUS: system_set_exec_accessory_override_flag(EXEC_SPINDLE_OVR_COARSE_MINUS); break;
case CMD_SPINDLE_OVR_FINE_PLUS: system_set_exec_accessory_override_flag(EXEC_SPINDLE_OVR_FINE_PLUS); break;
case CMD_SPINDLE_OVR_FINE_MINUS: system_set_exec_accessory_override_flag(EXEC_SPINDLE_OVR_FINE_MINUS); break;
case CMD_SPINDLE_OVR_STOP: system_set_exec_accessory_override_flag(EXEC_SPINDLE_OVR_STOP); break;
case CMD_COOLANT_FLOOD_OVR_TOGGLE: system_set_exec_accessory_override_flag(EXEC_COOLANT_FLOOD_OVR_TOGGLE); break;
#ifdef ENABLE_M7
case CMD_COOLANT_MIST_OVR_TOGGLE: system_set_exec_accessory_override_flag(EXEC_COOLANT_MIST_OVR_TOGGLE); break;
#endif
}
// 除了上面已知的实时命令，其他的ASCII扩展字符都被丢掉
} else { // 其他的字符被认为都是G代码，会被写入到主缓冲区
next_head = serial_rx_buffer_head + 1; // 更新临时头指针
if (next_head == RX_RING_BUFFER) { next_head = 0; }
// 写入到接收缓冲区，直到它满了为止。
if (next_head != serial_rx_buffer_tail) {
serial_rx_buffer[serial_rx_buffer_head] = data;
serial_rx_buffer_head = next_head;
}
}
}
}
代码解析：
AVR并没有实现中断功能，中断实现是由编译器gcc-avr完成的，具体用法是在中断函数前用__attribute__((interrupt))修饰，ISR(SERIAL_RX)是一个宏定义，它在interrupt.h中定义,功能是根据传入的中断向量号生成中断函数定义和函数声明。
开启了中断并设置了中断函数，一旦串口中接收到了一个字节数据，就会触发中断，从UDR0串口数据寄存器中取出数据后，会做简单区分，这里有三种类型的数据：
- 实时命令，不会放入串口接收队列。
- 实时覆盖命令，能实时调整部分参数，也不会放入串口接收队列。
- 正常的G代码和系统命令，会放入串口接收队列。
串口发送中断：
// 数据寄存器为空的中断处理
ISR(SERIAL_UDRE)
{
// 由于环形队列尾指针中断和主程序都会使用，有可能导致数据读取时，指针已经发生了变化，
// 存在不稳定性，所以要用临时变量暂存，增加读取时的稳定性。
uint8_t tail = serial_tx_buffer_tail; // 临时变量暂存 serial_tx_buffer_tail (为volatile优化)
// 从缓冲区发送一个字节到串口
UDR0 = serial_tx_buffer[tail];
// 更新尾指针位置，如果已经到达顶端，返回初始位置，形成环形
tail++;
if (tail == TX_RING_BUFFER) { tail = 0; }
serial_tx_buffer_tail = tail;
// 如果环形队列为空，关闭串口数据寄存器为空的中断，阻止继续发送串口流
if (tail == serial_tx_buffer_head) { UCSR0B &= ~(1 << UDRIE0); }
}
代码解析：
ISR(SERIAL_UDRE)也是一个宏定义，展开后是根据串口数据为空的中断号定义的中断处理函数，发送中断的开启是在有数据需要返回给上位机时（如serial_write函数被调用时）使能UDRIE0（串口数据寄存器为空中断使能位）实现的的，UCSR0B |= (1 << UDRIE0);，开启中断后如果数据发送寄存器为空会立即触发中断。随后把发送队列的数据放到UDR0（串口数据寄存器）发送给上位机。当串口发送队列没有数据时需要禁用串口发送中断，以防止误触发中断。需要注意的是串口接收和发送都是用的UDR0寄存器，这样不会导致接收发送冲突吗？不会，UDR0的接收和发送只是共享了寄存器地址，读和写是分离在不同的硬件上实现的。
# 环形队列
环形队列是在实际编程极为有用的数据结构,它是一个首尾相连的FIFO的数据结构，采用数组的线性空间,数据组织简单。能很快知道队列是否满为空。能以很快速度的来存取数据。
缓冲：使用队列可以缓冲数据，提升收发数据的性能。
高效：相比直线队列，空间利用率高。
多任务：配合中断，串口和主循环可以在互不干扰的情况下独立工作。
grbl中的环形队列使用数组实现，使用两个指针标记队头队尾（不过grbl这里是反的），通过保持一个数据单元为空策略判断队列满和空。我制作了一个演示程序，想不明白的可以实操试一试更容易理解。
# 串口接收环形队列
#ifndef RX_BUFFER_SIZE
#define RX_BUFFER_SIZE 128
#endif
#define RX_RING_BUFFER (RX_BUFFER_SIZE+1) // 定义接收缓冲区环形队列长度
uint8_t serial_rx_buffer[RX_RING_BUFFER]; // 定义串口接收环形队列
uint8_t serial_rx_buffer_head = 0; // 定义串口接收环形队列头指针
volatile uint8_t serial_rx_buffer_tail = 0; // 定义串口接收环形队列尾指针
定义了一个RX_BUFFER_SIZE大小(128字节)的串口接收环形队列serial_rx_buffer，并使用了队头serial_rx_buffer_head和队尾serial_rx_buffer_tail两个指针记录队列状态。
// 获取串口接收缓冲区的第一个字节。被主程序调用。
uint8_t serial_read()
{
uint8_t tail = serial_rx_buffer_tail; // 临时变量暂存 serial_rx_buffer_tail (优化volatile)
if (serial_rx_buffer_head == tail) { // 如果接收环形队列为空，则设置结束符号
return SERIAL_NO_DATA;
} else {
uint8_t data = serial_rx_buffer[tail]; // 从接受环形队列取一个字节
tail++; // 更新尾指针
if (tail == RX_RING_BUFFER) { tail = 0; } // 环形
serial_rx_buffer_tail = tail;
return data;
}
}
serial_read一个读取串口环形队列的接口：这个接口在主循环中调用，它从串口接收一个字节就更新一下队尾的指针，因为使用的是数组，指针到达数组尾部要返回数组头部形成环形，如果队列是空的serial_rx_buffer_head == tail，就返回结束符号0xff。
# 串口发送环形队列
#define TX_BUFFER_SIZE 104 // 定义串口发送缓冲区大小
#define TX_RING_BUFFER (TX_BUFFER_SIZE+1) // 定义发送缓冲区队列长度
int8_t serial_tx_buffer[TX_RING_BUFFER]; // 定义串口发送环形队列
uint8_t serial_tx_buffer_head = 0; // 定义串口发送环形队列头指针
volatile uint8_t serial_tx_buffer_tail = 0; // 定义串口发送环形队列尾指针
定义了一个大小为TX_BUFFER_SIZE(104)的串口发送环形队列serial_tx_buffer，并使用了队头serial_tx_buffer_head和队尾serial_tx_buffer_tail两个指针记录队列状态。
// 写入一个字节到串口发送缓冲区。被主程序调用。
void serial_write(uint8_t data) {
// 计算下一个头指针，如果已经到达最大值，移到开始，形成环形
uint8_t next_head = serial_tx_buffer_head + 1;
if (next_head == TX_RING_BUFFER) { next_head = 0; }
// 等待，直到缓冲区有空间
while (next_head == serial_tx_buffer_tail) {
// 代办：重构st_prep_tx_buffer()调用，在长打印期间在这里执行。
if (sys_rt_exec_state & EXEC_RESET) { return; } // 只检查终止防止死循环。
}
// 储存数据并向前移动头指针
serial_tx_buffer[serial_tx_buffer_head] = data;
serial_tx_buffer_head = next_head;
// 开启数据寄存器为空的中断，确保串口发送流运行。
// 只要环形队列有空间，就可以持续不断地从串口接收数据。
UCSR0B |= (1 << UDRIE0);
}
serial_write一个串口写入接口，这个接口主要被反馈报告程序调用，报告程序把字符串格式化之后传入这个接口，随后把传进来的数据放入发送队列，如果队列满了就一直等着，直到队列数据被串口取出留出空间，最后开启串口数据寄存器为空的中断，开启串口发送处理中断，由ISR(SERIAL_UDRE)将队列中的数据发送给上位机。
# 辅助函数
// 返回串口读缓冲区可用字节数。
uint8_t serial_get_rx_buffer_available()
{
uint8_t rtail = serial_rx_buffer_tail; // 临时变量暂存尾指针优化volatile
if (serial_rx_buffer_head >= rtail) { return(RX_BUFFER_SIZE - (serial_rx_buffer_head-rtail)); }
return((rtail-serial_rx_buffer_head-1));
}
serial_get_rx_buffer_available一个用以返回串口接收环形队列空闲字节数的接口，它会被反馈报告程序调用。它采用镜像法把队列尺寸扩大2倍，虚拟出另一个队列，方便计算。
// 返回串口读缓冲区已用的字节数。
// 注意：已废弃。不再被使用除非在config.h中开启了经典状态报告。
uint8_t serial_get_rx_buffer_count()
{
uint8_t rtail = serial_rx_buffer_tail; // 临时变量暂存尾指针优化volatile
if (serial_rx_buffer_head >= rtail) { return(serial_rx_buffer_head-rtail); }
return (RX_BUFFER_SIZE - (rtail-serial_rx_buffer_head));
}
返回串口接收队列已用的字节数。计算方法与上面类似。
// 返回串口发送缓冲区已用的字节数。
// 注意：没有用到除非为了调试和保证串口发送缓冲区没有瓶颈。
uint8_t serial_get_tx_buffer_count()
{
uint8_t ttail = serial_tx_buffer_tail; // Copy to limit multiple calls to volatile
if (serial_tx_buffer_head >= ttail) { return(serial_tx_buffer_head-ttail); }
return (TX_RING_BUFFER - (ttail-serial_tx_buffer_head));
}
返回串口发送队列已用的字节数。计算方法与上面类似。