Classmate Wang's blog

深浅模式

双缓冲 ​

（UART、SPI、I2C）概念上，绝对都有双缓冲机制；但在具体表现和名字上，I2C 是个“奇葩”。

一、 为什么要都有？（为了不让你“过劳死”） ​

首先肯定一点：它们都有双缓冲（Double Buffering）机制。 即：“移位寄存器（干活的）” + “数据寄存器（缓存的）”。

如果没有双缓冲，会发生什么？

  • 发送时：发完一个字节，CPU 必须在微秒级的瞬间把下一个字节填进去，慢一丁点，波形就会断开（Gap）。
  • 接收时：收完一个字节，CPU 必须瞬间读走，慢一丁点，下一个位进来了，数据就覆盖了。

所以，为了让 CPU 哪怕去喝口茶（处理个中断）也不影响通信，UART、SPI、I2C 全部标配双缓冲。

二、 三兄弟的具体表现 ​

虽然原理一样，但因为协议特性不同，它们的TXE / RXNE 性格完全不一样。

1. UART（串口）—— 最标准的模范生 ​

UART 是异步通信，没有时钟线，全靠波特率约定。

  • 双缓冲：有。
  • 标志位：
    • TXE：完全一样。表示 TDR 空了，可以写下一个。
    • RXNE：完全一样。表示 RDR 有数据，赶紧读。
  • 老鸟提示：UART 因为速度慢（比如 9600 或 115200），CPU 响应时间很充裕，所以双缓冲带来的“紧迫感”不强。但在高速（如 3Mbps）下，没有双缓冲根本跑不起来。

2. SPI —— 急性子的“快枪手” ​

SPI 是同步通信，速度极快（可达 50MHz+）。

  • 双缓冲：极其重要。
  • 标志位：
    • TXE：最关键。SPI 追求连续传输（Burst Transfer），为了让波形中间没有空隙，你必须在上一字节还没发完（Shift Register 忙）时，就把下一个字节塞进 TDR（TXE=1 时）。这样硬件可以无缝衔接。
    • RXNE：同上。
  • 老鸟提示：SPI 的双缓冲是为了速度。写 SPI 驱动如果中间有延时，效率会大打折扣。

3. I2C —— 磨磨唧唧的“控制狂” (重点！) ​

I2C 也有双缓冲，也有 TXE/RXNE，但它的行为完全不同。

  • 区别核心：I2C 有一根 SCL（时钟线），而且支持时钟延展（Clock Stretching）。
  • TXE (发送空)：
    • 在 SPI/UART 里，如果你不填数据，也就是闲着。
    • 在 I2C 里（特别是从机模式）：如果 TXE=1 了（盘子空了），而 CPU 还没来得及填数据，I2C 硬件会强制拉低 SCL 线！整个总线都会暂停，直到你把数据填进去，它才松手。
  • RXNE (接收非空)：
    • 在 SPI/UART 里，你不读，新数据会把旧数据覆盖（Overrun）。
    • 在 I2C 里：如果你不读走数据，硬件也会拉低 SCL 线，让对方（主机）暂停发送。
  • 结论：I2C 的双缓冲不仅是缓存，还起到了流控（Flow Control） 的作用。

三、 资深工程师的“进阶眼界” ​

作为资深开发，你不能只盯着 TXE 和 RXNE 这两个名字，因为换个芯片可能就不认识了。你需要掌握的是FIFO（先进先出队列） 的概念。

1. 从“双缓冲”到“FIFO” ​

普通的 STM32F1 系列（如 F103）是1个字节深度的双缓冲。

但高级的芯片（如 STM32F4/H7，或者 NXP/TI 的芯片，以及 ESP32），它们的串口和 SPI 往往带有 FIFO。

  • 区别：
    • 双缓冲：备餐区只能放 1 盘菜。
    • FIFO：备餐区可以放 16 甚至 128 盘菜。

2. 标志位的变化 ​

一旦有了 FIFO，TXE 和 RXNE 的定义就变了（或者多了新标志）：

  • TXE (Transmit Empty) -> 可能变成 TXFNF (Transmit FIFO Not Full)。
    • 意思：“只要 FIFO 没满，你就可以往里猛灌数据，不用一次一次等。”
  • RXNE (Receive Not Empty) -> 可能变成 RXFNE (Receive FIFO Not Empty)。
    • 甚至会有“水位中断”：比如 FIFO 攒够了 8 个字节，再触发中断让你一次性读走，减少 CPU 进中断的次数。

四、 总结一张表 ​

特性UARTSPII2C
是否有双缓冲？有有有
TXE (发送空) 含义可以在发当前字节时准备下一字节为了连续传输，必须利用它实现无间隙发送带有流控属性，不填数据可能会拉低 SCL 暂停总线
RXNE (接收非空) 含义有数据需读取必须配合发送 dummy byte 才会产生带有流控属性，不读数据可能会拉低 SCL
如果不处理后果Overrun (丢数据)Overrun (丢数据)Clock Stretch(总线挂起/卡死)

最后的“坑”提醒 ​

在 I2C 编程中（特别是 STM32 的硬件 I2C），很多 bug 都是因为在这个标志位上处理慢了，导致硬件自动拉住了 SCL 线，结果主程序以为 I2C 坏了（超时）。

我的建议：

初学 I2C 时，尽量先用 GPIO 模拟（Bit-banging），因为模拟的时序完全由你控制，没有这些复杂的缓冲和硬件流控逻辑。等熟悉了协议，再挑战 STM32 的硬件 I2C 驱动（那可是出了名的难写，被称为“鬼见愁”）。