一、背景

由于板子上不支持硬件流控，在使用 app_uart_fifo 库接收串口大数据时，频繁报 APP_UART_COMMUNICATION_ERROR 错误，多次重新初始化后，串口也不再产生中断了。查看官方论坛后决定使用串口异步库 libuarte。

二、简介

Libuarte 是一个 UARTE 库，由以下层组成：

• nrf_libuarte_drv：一个低级 UARTE 驱动程序，具有扩展功能，如连续计算接收的字节、双缓冲、启动和停止接收器的可选事件，以及可在接收器启动和停止时触发的可选任务。
• nrf_libuarte_async：适用于接收和传输异步数据包的库。它管理接收缓冲区并实现接收器非活动超时。库正在使用 nrf_libuarte。它旨在用于典型的 UART 用例，其中交易对手异步发送可变长度的数据包。在这种情况下，用户会在数据包边界（即超时）和 DMA 缓冲区已满时收到事件。

2.1 nrf_libuarte_drv

nrf_libuarte_drv 使用 EasyDMA 双缓冲功能和 PPI 连接来确保可靠的接收。连续接收由 STARTRX 任务建立，连接到 ENDRX 事件。STARTRX 任务启动后，将生成 RXSTARTED 事件。

在 RXSTARTED 事件中：

• EasyDMA 已配置为传输，并且可以配置为下一次传输。
• Configuration registers 被锁存。

使用这种方法时，系统延迟取决于所使用的缓冲区的大小。如果缓冲区足够大，系统可以确保完全接收，而无需流控制，延迟为数毫秒。这个最小延迟可以覆盖 SoftDevice 或任何其他更高优先级的中断和 flash 操作（包括 flash 页面擦除）。

此外，计数器模式下的专用 TIMER 外设用于跟踪接收到的字节数。

nrf_libuarte_drv 可以配置硬件事件来启动和停止接收器。例如，此选项可用于构建具有请求和响应引脚的低功耗 UART 协议，该协议仅在传输期间启用接收器。所有硬件任务和事件都与 PPI 连接，这允许不依赖于中断处理时间的自主操作。

nrf_libuarte_drv 正在使用以下硬件资源：

• UARTE 实例
• TIMER 实例
• PPI 通道：
  • 如果未使用可选任务和事件，则至少 2 个 PPI 通道（在最多 255 次 EasyDMA 传输的设备上为 3 个）。
  • 如果使用可选任务和事件，则最多 9 个 PPI 通道和 2 个 PPI 组。

2.2 nrf_libuarte_async

nrf_libuarte_async 库构建在 lib_libuarte_drv 驱动程序之上。它实现了接收器非活动超时，这会导致一个包含接收数据量的事件。

该库具有用于接收的专用缓冲区，并处理来自驱动程序 （NRF_LIBUARTE_DRV_EVT_RX_BUF_REQ） 的缓冲区请求事件。

您可以使用以下选项之一实现接收器不活动超时，具体取决于可用资源：

• 专用的 TIMER 外围设备
• 专用 RTC 外设
• 一个 app_timer 实例

TIMER/RTC 外设
TIMER 或 RTC 外设与 TIMER/RTC 外设中的字节边界事件 （RXDRDY） 和任务 CLEAR 之间的 PPI 连接一起使用。

TIMER/RTC 的配置方式是在 compare 事件上触发中断。当任务 CLEAR 未按时触发时，将触发中断。

configurable 中的超时和 resolution 等于所用外设的 tick length。

app_timer实例
除了 TIMER/RTC 外设 之外，还可以使用 app_timer 实例进行超时实现。此方法需要按指定的时间间隔定期生成 app_timer 事件。

超时时，app_timer 事件处理程序检查收到的字节数是否已更改。根据此检查，处理程序报告数据包边界。

与 TIMER/RTC 外设相比，超时分辨率较低，等于可以设置的最短app_timer超时。

nrf_libuarte_async 正在使用以下硬件资源：

• UARTE 实例
• TIMER 实例
• 2 或 3 个 PPI 通道
• 如果 TIMER 或 RTC 外围设备用于接收器非活动超时，则使用以下附加资源：
  • RTC 或 TIMER 实例
  • 2 个 PPI 通道

三、参考工程

libuarte 在 SDK v16.0 中得到了改进，它也从 Experimental 中移出并取代了串行库。

在 SDK\examples\peripheral\libuarte 中找到示例工程

四、添加组件库

基于 ble_app_uart 的工程，在 nRF_Drivers 文件夹和 nRF_Libraries 文件夹确认以下组件库是否存在，不存在则添加。

在 ble_app_uart 的工程中后三个文件没有，需要添加：

1. 添加 nrfx_ppi.c、nrfx_rtc.c 和 nrfx_timer.c
   位于 SDK\modules\nrfx\drivers\src
   

2. 添加 nrfx_libuarte_async.c 和 nrfx_libuarte_drv.c
   位于 SDK\components\libraries\libuarte
   

3. 添加 nrfx_queue.c
   位于 SDK\components\libraries\queue
   

4. 添加上述编译文件路径
   

五、SDK配置

点击 sdk_config.h 文件

选择 Configuration Wizard

nRF_Drivers 中勾选PPI、RTC、TIMER相关选项

修改时钟配置，由于要移植的工程是ble_app_uart，其中蓝牙协议栈SoftDevice使用了RTC0和TIMER0，app_timer模块使用了RTC1，所以我们用于串口超时的时钟有RTC2、TIMER1和TIMER2等等。

nRF_Libraries 中勾选QUEUE相关选项

添加 NRF_LIBUARTE_ASYNC_WITH_APP_TIMER 和 nrf_libuarte_drv 并勾选

// <q> NRF_LIBUARTE_ASYNC_WITH_APP_TIMER  - nrf_libuarte_async - libUARTE_async library
 

#ifndef NRF_LIBUARTE_ASYNC_WITH_APP_TIMER
#define NRF_LIBUARTE_ASYNC_WITH_APP_TIMER 1
#endif

// <h> nrf_libuarte_drv - libUARTE library

//==========================================================
// <q> NRF_LIBUARTE_DRV_HWFC_ENABLED  - Enable HWFC support in the driver
 

#ifndef NRF_LIBUARTE_DRV_HWFC_ENABLED
#define NRF_LIBUARTE_DRV_HWFC_ENABLED 0
#endif

// <q> NRF_LIBUARTE_DRV_UARTE0  - UARTE0 instance
 

#ifndef NRF_LIBUARTE_DRV_UARTE0
#define NRF_LIBUARTE_DRV_UARTE0 1
#endif

// <q> NRF_LIBUARTE_DRV_UARTE1  - UARTE1 instance
 

#ifndef NRF_LIBUARTE_DRV_UARTE1
#define NRF_LIBUARTE_DRV_UARTE1 0
#endif

// </h> 
//==========================================================

六、使用例子

1）添加头文件

#include "nrf_libuarte_async.h"

2）添加全局变量（SDK16.0以上 中 ble_peripheral 的 ble_app_uart 工程）

// 使用TIMER2作为计数，不使用RTC和TIMER用作超时（如果前两个都不使用，则使用app_timer作为超时）
NRF_LIBUARTE_ASYNC_DEFINE(libuarte, 0, 2, NRF_LIBUARTE_PERIPHERAL_NOT_USED, NRF_LIBUARTE_PERIPHERAL_NOT_USED, 255, 3);
// 使用TIMER2作为计数，使用RTC2用作超时
//NRF_LIBUARTE_ASYNC_DEFINE(libuarte, 0, 2, 2, NRF_LIBUARTE_PERIPHERAL_NOT_USED, 255, 3);

static uint8_t text[] = "UART example started.\r\n Loopback:\r\n";
static uint8_t text_size = sizeof(text);
static volatile bool m_loopback_phase;

typedef struct {
    uint8_t * p_data;
    uint32_t length;
} buffer_t;

NRF_QUEUE_DEF(buffer_t, m_buf_queue, 10, NRF_QUEUE_MODE_NO_OVERFLOW);

第3,4,5参数分别是TIMER接口用作libuarte字节统计，RTC接口用作超时，TIMER接口用作超时，二者选其一即可，如果都不使用，则使用app_timer作为超时。

其中蓝牙协议栈SoftDevice使用了RTC0和TIMER0，app_timer模块使用了RTC1，所以我们用于串口超时的时钟有RTC2、TIMER1和TIMER2等等。

3）修改main函数
这里由于串口超时使用的是app_timer，而非RTC或TIMER，所以这里将uart_init()往后放。

/**@brief Application main function.
 */
int main(void)
{
    bool erase_bonds;

    // Initialize.
//    uart_init();
    log_init();
    timers_init();
    uart_init();
    buttons_leds_init(&erase_bonds);
    power_management_init();
    ble_stack_init();
    gap_params_init();
    gatt_init();
    services_init();
    advertising_init();
    conn_params_init();

    // Start execution.
//    printf("\r\nUART started.\r\n");
    NRF_LOG_INFO("Debug logging for UART over RTT started.");
    advertising_start();

    // Enter main loop.
    for (;;)
    {
        idle_state_handle();
    }
}

4）添加串口初始化函数
这里由于串口超时使用的是app_timer，而非RTC或TIMER，所以这里将串口中断优先级调整的app_timer优先级高，修改为 APP_IRQ_PRIORITY_LOW_MID 及以上。

/**@brief  Function for initializing the UART module.
 */
/**@snippet [UART Initialization] */
static void uart_init(void)
{
    ret_code_t err_code;
    nrf_libuarte_async_config_t nrf_libuarte_async_config = {
            .tx_pin     = TX_PIN_NUMBER,
            .rx_pin     = RX_PIN_NUMBER,
            .baudrate   = NRF_UARTE_BAUDRATE_115200,
            .parity     = NRF_UARTE_PARITY_EXCLUDED,
            .hwfc       = NRF_UARTE_HWFC_DISABLED,
            .timeout_us = 100,
            .int_prio   = APP_IRQ_PRIORITY_LOW_MID
    };

    err_code = nrf_libuarte_async_init(&libuarte, &nrf_libuarte_async_config, uart_event_handler, (void *)&libuarte);
    APP_ERROR_CHECK(err_code);

    nrf_libuarte_async_enable(&libuarte);

    err_code = nrf_libuarte_async_tx(&libuarte, text, text_size);
    APP_ERROR_CHECK(err_code);
}
/**@snippet [UART Initialization] */

5）添加串口中断处理函数
每当 nrf_libuarte_drv 设置 EasyDMA 接收缓冲区时，都会生成缓冲区请求事件 （NRF_LIBUARTE_DRV_EVT_RX_BUF_REQ）。在这种情况下，请确保应用程序使用 nrf_libuarte_drv_rx_buf_rsp 进行响应并提供新的缓冲区。新的接收缓冲区必须在刚刚开始的传输结束之前提供，否则 UARTE 将开始覆盖活动缓冲区，因为接收会自主重新启动。

如果设备不支持 16 位长的 EasyDMA 传输，则使用 EasyDMA 双缓冲功能以及 ENDTX 事件和 STARTTX 任务之间的 PPI 连接来确保连续传输。传输完成后，将生成 NRF_LIBUARTE_DRV_EVT_TX_DONE 事件。

void uart_event_handler(void * context, nrf_libuarte_async_evt_t * p_evt)
{
    nrf_libuarte_async_t * p_libuarte = (nrf_libuarte_async_t *)context;
    ret_code_t ret;

    switch (p_evt->type)
    {
        case NRF_LIBUARTE_ASYNC_EVT_ERROR:
            bsp_board_led_invert(0);
            break;
        case NRF_LIBUARTE_ASYNC_EVT_RX_DATA:
            ret = nrf_libuarte_async_tx(p_libuarte,p_evt->data.rxtx.p_data, p_evt->data.rxtx.length);
            if (ret == NRF_ERROR_BUSY)
            {
                buffer_t buf = {
                    .p_data = p_evt->data.rxtx.p_data,
                    .length = p_evt->data.rxtx.length,
                };

                ret = nrf_queue_push(&m_buf_queue, &buf);
                APP_ERROR_CHECK(ret);
            }
            else
            {
                APP_ERROR_CHECK(ret);
            }
            bsp_board_led_invert(1);
            m_loopback_phase = true;
            break;
        case NRF_LIBUARTE_ASYNC_EVT_TX_DONE:
            if (m_loopback_phase)
            {
                nrf_libuarte_async_rx_free(p_libuarte, p_evt->data.rxtx.p_data, p_evt->data.rxtx.length);
                if (!nrf_queue_is_empty(&m_buf_queue))
                {
                    buffer_t buf;
                    ret = nrf_queue_pop(&m_buf_queue, &buf);
                    APP_ERROR_CHECK(ret);
                    UNUSED_RETURN_VALUE(nrf_libuarte_async_tx(p_libuarte, buf.p_data, buf.length));
                }
            }
            bsp_board_led_invert(2);
            break;
        default:
            break;
    }
}

6）串口接收
每次完成 EasyDMA 传输时，都会生成 NRF_LIBUARTE_DRV_EVT_RX_DATA 事件。事件结构包含指向数据和接收的数据量的指针。处理数据时，必须通过调用 nrf_libuarte_async_rx_free 用于释放接收到的缓冲区数据的函数。

上面串口中断处理函数是为了串口回环打印测试，实际应用可改为以下逻辑：

    case NRF_LIBUARTE_ASYNC_EVT_RX_DATA: {
            在此自定义串口处理(event->data.rxtx.p_data, event->data.rxtx.length)
            nrf_libuarte_async_rx_free(libuarte, event->data.rxtx.p_data, event->data.rxtx.length);
        } break;

7）串口发送
nrf_libuarte_async_tx 用于启动传输。
在传输完成时调用具有 NRF_LIBUARTE_ASYNC_EVT_TX_DONE 事件的事件处理程序。

七、工程代码

基于 nRF5_SDK_17.1.0_ddde560，仅用于移植文件添加参考。
百度网盘: https://pan.baidu.com/s/1yu34SDNoBl7Uy-WV18UO8A?pwd=999m 提取码: 999m

---

• 由 Leung 写于 2024 年 11 月 4 日

• 参考：nRF5 SDK v17.1.0: Libuarte - advanced UARTE driver (nordicsemi.com)
　　　　nrf52840蓝牙开发之Libuarte外设移植