LV16-15-串口通信-01-串口通信基础

发表于 2023-06-04 分类于嵌入式开发， 01HQ课程体系， LV16-STM32开发本文字数： 5.3k 阅读时长 ≈ 19 分钟

本文主要是STM32开发——串口通信基础知识的一些相关笔记，若笔记中有错误或者不合适的地方，欢迎批评指正😃。

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开发板	正点原子 i.MX6ULL Linux阿尔法开发板
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linux内核	linux-4.15(NXP官方提供)
STM32开发板	正点原子战舰V3(STM32F103ZET6)

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	https://www.st.com/content/st_com/zh.html	ST官方网站，在这里我们可以找到STM32的相关文档
	https://www.stmcu.com.cn/	意法半导体ST中文官方网站，在这里我们可以找到STM32的相关中文参考文档
	http://elm-chan.org/fsw/ff/00index_e.html	FatFs文件系统官网
教程书籍	《ARM Cortex-M3权威指南》	ARM公司专家Joseph Yiu（姚文祥）的力作，中文翻译是NXP的宋岩
	《ARM Cortex-M0权威指南》
	《ARM Cortex-M3与Cortex-M4权威指南》
开发论坛	http://47.111.11.73/forum.php	开源电子网，正点原子的资料下载及问题讨论论坛
	https://www.firebbs.cn/forum.php	国内Kinetis开发板-野火/秉火（刘火良）主持的论坛，现也做STM32和i.MX RT
	https://www.amobbs.com/index.php	阿莫（莫进明）主持的论坛，号称国内最早最火的电子论坛，以交流Atmel AVR系列单片机起家，现已拓展到嵌入式全平台，其STM32系列帖子有70W+。
	http://download.100ask.net/index.html	韦东山嵌入式资料中心，有些STM32和linux的相关资料也可以来这里找。
博客参考	http://www.openedv.com/	开源网-原子哥个人博客
	http://blog.chinaaet.com/jihceng0622	博主是原Freescale现NXP的现场应用工程师
	cortex-m-resources	这其实并不算是一个博客，这是ARM公司专家Joseph Yiu收集整理的所有对开发者有用的官方Cortex-M资料链接（也包含极少数外部资源链接）

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一、基本概念

关于通信和串口通信的基本概念，可以看这两篇笔记：

《通信协议-01-通信的基本概念》

《通信协议-02-串口通信》

二、STM32的串口

1. 概述

在嵌入式中，很多MCU和外设模块都集成有UART外设。 STM32F103有3个通用同步异步收发器（ Universal synchronous asynchronous receiver transmitter， USART）， 2个通用异步收发器（ Universalasynchronous receiver transmitter， UART）。 USART和UART的主要区别在于， USART支持同步通信，该模式有一根时钟线提供时钟。这里需要说明一下，由于在STM中文或者是英文参考手册，相关的介绍章节主要是关于USART，但是他们都是通用的，所以笔记中也都用USART了。

串口在嵌入式中经常使用，一般使用UART就足够了，常见的用途如下：

（1）作为调试口，打印程序运行的状态信息；

（2）连接串口接口的模块（比如GPS模块），传输数据；

（3）通过电平转换芯片变为RS232/RS485电平，连接工控设备；

2. USART的各种模式

这一部分我们可以查看 [STM32中文参考手册](https://www.stmcu.com.cn/Designresource/detail/localization_document /710001)的 25.5 USART模式配置一节：

USART模式	USART1/2/3	UART4	UART5
异步模式	支持	支持	支持
硬件流控制(CTS/RTS)	支持	不支持	不支持
多缓存通信(DMA)	支持	支持	不支持
多处理器通信	支持	支持	支持
同步通信	支持	不支持	不支持
智能卡（ Smartcard）	支持	不支持	不支持
半双工（单线模式）	支持	支持	支持
IrDA(红外线)	支持	支持	支持
LIN(域互连网络)	支持	支持	支持

3. USART内部结构

关于内部结构，我们可以查看 [STM32中文参考手册](https://www.stmcu.com.cn/Designresource/detail/localization_document /710001)的 25.3 USART功能概述：

3.1 USART引脚

内部结构图中的序号①，包含了USART的相关引脚：

（1）TX：数据发送；

（2）RX：数据接收；

（3）SW_RX：在单线和智能卡模式下接收数据，属于内部引脚，没有具体外部引脚；

（4）nRTS：在硬件流控制时，用于指示本设备准备好可接收数据，低电平说明本设备可以接收数据；

（5）nCTS：在硬件流控制时，用于指示本设备准备好可发送数据，低电平说明本设备可以发送数据；若是高电平，在当前数据传输结束时阻断下一次的数据发送。

（6）SCLK：有些图中直接标为CK，发送器时钟输出。在同步模式时，用于输出时钟， (在Start位和Stop位上没有时钟脉冲，软件可选地，可以在最后一个数据位送出一个时钟脉冲)。数据可以在RX上同步被接收。这可以用来控制带有移位寄存器的外部设备(例如LCD驱动器)。时钟相位和极性都是软件可编程的。在智能卡模式里， CK可以为智能卡提供时钟。

3.2 波特率发生器

内部结构图中的序号②，是USART的波特率发生器，我们通过设置USART_BRR寄存器的值，实现串口通信数据传输速率的设置。由 [STM32中文参考手册](https://www.stmcu.com.cn/Designresource/detail/localization_document /710001) 的 25.3.4 分数波特率的产生一节可知计算公式为：
$$
Tx/Rx 波特率 = \frac{f_{PCLK}}{16*USARTDIV}
$$
“$f_{PCLK}$”为该外设USART的时钟频率，“ USARTDIV”为USART_BRR寄存器的值。USARTDIV是一个无符号的定点数。需要注意的是在写入USART_BRR之后，波特率计数器会被波特率寄存器的新值替换。因此，不要在通信进行中改变波特率寄存器的数值。

假设所需波特率为115200，当前USART时钟为72MHz，则USARTDIV=72000000/(115200*16)=39.0625。USART_BRR寄存器使用高12位[15:4]存放整数部分，低4位[3:0]存放小数部分，小数部分每一位对应1/24=0.0625。因此，整数39对应16进制为0x27，左移4位为0x270，小数0.0625，对应0x1，所以我们设置USART_BRR=0x271即可。

在利用寄存器配置USART的波特率的时候需要依据此公式计算USART_BRR的值，而在HAL库中无需计算，只需传入所需波特率，自动写USART_BRR寄存器值，但是我们仍然要学习这个波特率的计算公式，也许的开发调试过程中会使用到。

前面计算波特率需要知道外设时钟“$f_{PCLK}$”的值，USART1挂载APB1上， USART2/3和USART4/5挂载APB2上。后边学习时钟系统的话，我们会知道 APB1时钟最大为36MHz， APB2时钟最大为72MHz。因此，只有USART1的波特率计算中的“$f_{PCLK}$”能取最大系统时钟72MHz，而其它的USART/UART只能取36MHz。

3.3 发送器/接收器控制单元

通过向控制寄存器CR1、 CR2、 CR3和状态寄存器SR写入相应的位，可实现对USART数据的发送和接收控制。其中CR1主要用于配置USART的数据位、校验位和中断使能， CR2用于配置USART的停止位和SCLK时钟控制， CR3用于CTS硬件流控制、 DMA多缓冲控制等。通过读取状态寄存器SR的值，可查询USART的状态。

3.4 数据收发寄存器单元

该部分主要由发送数据寄存器（ TDR）、发送移位寄存器、接收数据寄存器（ RDR）、接收移位寄存器组成。发送移位寄存和接收移位寄存器，分别负责将发送数据并串转换和接收数据串并转换，从而实现数据在传输时，是一位一位的发送和接收。

4. 几个相关寄存器

4.1 串口时钟使能

串口作为 STM32 的一个外设，其时钟由外设时钟使能寄存器控制，这里我们使用的串口1是在APB2ENR寄存器的第14位。APB2ENR寄存器在之前已经介绍过了，这里不再介绍。只是说明一点，就是除了串口 1 的时钟使能在 APB2ENR 寄存器，其他串口的时钟使能位都在 APB1ENR 寄存器。

4.2 串口复位

当外设出现异常的时候可以通过复位寄存器里面的对应位设置，实现该外设的复位，然后重新配置这个外设达到让其重新工作的目的。一般在系统刚开始配置外设的时候，都会先执行复位该外设的操作。串口 1 的复位是通过配置 APB2RSTR 寄存器的第 14 位来实现的。 APB2RSTR 寄存器的各位描述如图：

可知串口 1 的复位设置位在 APB2RSTR 的第 14 位。通过向该位写 1 复位串口 1，写 0 结束复位。其他串口的复位位在 APB1RSTR 里面。

4.3 串口波特率设置

每个串口都有一个自己独立的波特率寄存器 USART_BRR，通过设置该寄存器就可以达到配置不同波特率的目的。

4.4 串口控制

STM32 的每个串口都有 3 个控制寄存器 USART_CR1~3，串口的很多配置都是通过这 3 个寄存器来设置的。这里我们只要用到 USART_CR1 就可以实现我们的功能了，该寄存器的各位描述如图：

该寄存器的高 18 位没有用到，低 14 位用于串口的功能设置。

（1）UE 为串口使能位，通过该位置 1，以使能串口。

（2）M 为字长选择位，当该位为 0 的时候设置串口为 8 个字长外加 n 个停止位，停止位的个数（n）是根据 USART_CR2 的[13:12]位设置来决定的，默认为 0。

（3）PCE 为校验使能位，设置为 0，则禁止校验，否则使能校验。

（4）PS 为校验位选择，设置为 0 则为偶校验，否则为奇校验。

（5） TXIE 为发送缓冲区空中断使能位，设置该位为 1，当 USART_SR 中的 TXE 位为1 时，将产生串口中断。

（6）TCIE 为发送完成中断使能位，设置该位为 1，当 USART_SR 中的 TC 位为 1 时，将产生串口中断。

（7）RXNEIE 为接收缓冲区非空中断使能，设置该位为 1，当 USART_SR 中的 ORE 或者 RXNE 位为 1 时，将产生串口中断。

（8）TE 为发送使能位，设置为 1，将开启串口的发送功能。

（9）RE 为接收使能位，用法同 TE。

4.5 数据发送与接收

STM32 的发送与接收是通过数据寄存器 USART_DR 来实现的，这是一个双寄存器，包含了 TDR 和 RDR。当向该寄存器写数据的时候，串口就会自动发送，当收到数据的时候，也是存在该寄存器内。

可以看出，虽然是一个 32 位寄存器，但是只用了低 9 位（DR[8： 0]），其他都是保留。DR[8： 0]为串口数据，包含了发送或接收的数据。由于它是由两个寄存器组成的，一个给发送用(TDR)，一个给接收用(RDR)，该寄存器兼具读和写的功能。 TDR 寄存器提供了内部总线和输出移位寄存器之间的并行接口。 RDR 寄存器提供了输入移位寄存器和内部总线之间的并行接口。

当使能校验位(USART_CR1 中 PCE 位被置位)进行发送时，写到 MSB 的值(根据数据的长度不同， MSB 是第 7 位或者第 8 位)会被后来的校验位取代。当使能校验位进行接收时，读到的 MSB 位是接收到的校验位。

4.6 串口状态

串口的状态可以通过状态寄存器 USART_SR 读取。 USART_SR 的各位描述如图：

这里我们关注一下两个位，第 5、 6 位 RXNE 和 TC：

（1）RXNE（读数据寄存器非空），当该位被置 1 的时候，就是提示已经有数据被接收到了，并且可以读出来了。这时候我们要做的就是尽快去读取 USART_DR，通过读 USART_DR 可以将该位清零，也可以向该位写 0，直接清除。

（2）TC（发送完成），当该位被置位的时候，表示 USART_DR 内的数据已经被发送完成了。如果设置了这个位的中断，则会产生中断。该位也有两种清零方式： 1）读 USART_SR，写USART_DR。 2）直接向该位写 0。

5. 串口设置一般步骤

（1）串口时钟使能， GPIO 时钟使能。

（2）设置引脚复用器映射：调用 GPIO_PinAFConfig 函数。

（3）GPIO 初始化设置：要设置模式为复用功能。

（4）串口参数初始化：设置波特率，字长，奇偶校验等参数。

（5）开启中断并且初始化 NVIC，使能中断（如果需要开启中断才需要这个步骤）。

（6）使能串口。

（7）编写中断处理函数：函数名格式为 USARTxIRQHandler(x 对应串口号)。

三、HAL库函数分析

1. USART_InitTypeDef

typedef struct {
    uint32_t BaudRate;   // 波特率
    uint32_t WordLength; // 字长
    uint32_t StopBits;   // 停止位
    uint32_t Parity;     // 校验位
    uint32_t Mode;       // UART 模式
    uint32_t HwFlowCtl;  // 硬件流控制
    uint32_t OverSampling; // 过采样模式
    //uint32_t CLKLastBit;   // 最尾位时钟脉冲，新版本HAL库的这个成员好像没见了
} USART_InitTypeDef;

（1）BaudRate：波特率设置。一般设置为 2400、 9600、 19200、 115200。 HAL 库函数会根据设定值计算得到 UARTDIV 值，见公式 20‑1，并设置 UART_BRR 寄存器值。

（2）WordLength：数据帧字长，可选 8 位或 9 位。它设定 UART_CR1 寄存器的 M 位的值。如果没有使能奇偶校验控制，一般使用 8 数据位；如果使能了奇偶校验则一般设置为 9 数据位。

（3）StopBits：停止位设置，可选 0.5 个、 1 个、 1.5 个和 2 个停止位，它设定 USART_CR2 寄存器的STOP[1:0] 位的值，一般我们选择 1 个停止位。

（4）Parity：奇偶校验控制选择，可选 USART_PARITY_NONE (无校验)、 USART_PARITY_EVEN(偶校验) 以及 USART_PARITY_ODD (奇校验)，它设置UART_CR1 寄存器的 PCE 位和 PS位的值。

（5）Mode： UART 模式选择，有 USART_MODE_RX 和 USART_MODE_TX，允许使用逻辑或运算选择两个，它设定 USART_CR1 寄存器的 RE 位和 TE 位。

2. 串口接收和发送

1
2

HAL_StatusTypeDef HAL_UART_Transmit(UART_HandleTypeDef *huart, uint8_t *pData, uint16_t Size, uint32_t Timeout);
HAL_StatusTypeDef HAL_UART_Receive(UART_HandleTypeDef *huart, uint8_t *pData, uint16_t Size, uint32_t Timeout);