U(S)ART 串口应用

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单片机的U(S)ART
U(S)ART的使用

单片机的U(S)ART

以stm32u575为例

逻辑框图

不同UART接口的类型

不同U(S)ART接口类型的主要属性

U(S)ART的使用

以stm32u575为例

发送数据

寄存器配置过程

在USART_CR1寄存器中编程M位以定义字长，字长默认是8bit，但可以选 7, 8, 9bit
使用USART_BRR寄存器选择所需的波特率，常见的有 9600，19200，38400，57600，115200，230400
在USART_CR2寄存器中编程停止位的数量，停止位，默认是1bit，但可以选 1.5bit， 2 bit
通过将USART_CR1寄存器中的UE位写1来使能USART
如果需要进行多缓冲通信，则在USART_CR3寄存器中选择DMA使能（DMAT）。并按照"使用USART和DMA的连续通信"中的说明配置DMA寄存器

DMA，即 Direct Memory Access，可以在无需处理器干涉的情况下，直接完成数据在存储器和外设之间的传递，例如发送数据，可以直接从内存写入串口的发送数据寄存器，直到需要发送的数据都通过该寄存器发送完成，才触发中断

发送数据过程

设置USART_CR1中的TE位以发送空闲帧作为首次传输（可选步骤）

此处，"帧"的概念为从起始位到停止位的一串数据流

将要发送的数据写入USART_TDR寄存器。如果是单缓冲模式，则对每个待发送数据重复此操作
- 当FIFO模式禁用时，向USART_TDR写入数据会清除TXE标志。
- 当FIFO模式启用时，向USART_TDR写入数据会将一个数据添加到TXFIFO中。写入USART_TDR的操作需在TXFNF标志置位时进行，该标志会保持置位直到TXFIFO满。
当最后一个数据写入USART_TDR寄存器后，等待TC=1
- 当FIFO模式禁用时，表示最后一帧传输完成
- 当FIFO模式启用时，表示TXFIFO和移位寄存器均为空
- 此检查是为了避免在USART禁用或进入停机模式时损坏最后一次传输

发送相关中断

中断事件	中断标志	中断使能位	中断清除方法
TDR 空	TXE	TXEIE	写 TDR
TXFIFO 不满	TXFNF	TXFNFIE	写满 TXFIFO
TXFIFO 空	TXFE	TXFEIE	写 TDR 或向 TXFRQ 位写 1
达到 TXFIFO 阈值	TXFT	TXFTIE	写 TDR

发送两种模式

阻塞（轮询模式）

阻塞：指处理器一直等待该过程处理完成才转入下一个流程，如字符串 "Hello World" 的发送

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

非阻塞（中断模式）

中断是处理器非阻塞模式之一（另一种是DMA+中断方式），指处理器启动过程后，不必一直等待该过程处理完毕，而是可以通过完成的中断来获取完成的消息。启动处理过程后，可以转向处理其他的流程

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HAL_StatusTypeDef HAL_UART_Transmit_IT(UART_HandleTypeDef *huart, const uint8_t
                                        *pData, uint16_t Size);

//回调函数
//所有数据发送完成
void HAL_UART_TxCpltCallback(UART_HandleTypeDef *huart);
//发送缓冲区空(TXFE引发)
void HAL_UARTEx_TxFifoEmptyCallback(UART_HandleTypeDef *huart);

HAL_UART_Transmit_IT() 调用一次后，发送完成，即取消发送中断状态！需要手动再次调用HAL_UART_Transmit_IT()

FIFO的使用

FIFO是部分单片机每个串口硬件特有的缓冲区

接收数据

起始位和数据位的检测

起始位

数据位

寄存器配置过程

配置USART_CR1寄存器的M位以定义字长（数据位长度）。
通过波特率寄存器USART_BRR设置所需的通信波特率。
在USART_CR2寄存器中编程设定停止位的数量。
将USART_CR1寄存器的UE位置1以启用USART模块。
若需多缓冲区通信，则需在USART_CR3寄存器中使能DMA（设置DMAR位），并按照"使用USART和DMA实现连续通信"的内容说明配置DMA寄存器。
将USART_CR1寄存器的RE位置1，使能接收器开始搜索起始位

接收数据过程

FIFO模式禁用时：RXNE位会被置1，表示移位寄存器的内容已传输至RDR（接收数据寄存器），即数据已接收完成并可读取（同时包含相关错误标志）。
FIFO模式启用时：RXFNE位会被置1，表示接收FIFO非空。读取USART_RDR将返回FIFO中最先存入的数据。接收的数据会与对应的错误位一同存入RXFIFO。
若RXNEIE位（FIFO模式启用时为RXFNEIE位）被置1，则会产生中断。
若检测到帧错误、噪声、奇偶校验错误或接收溢出错误，则会置位相应的错误标志位。四个错误检测标志：
- 溢出错误：之前的数据未处理，新收到了数据
- 帧错误：未在约定的时间范围内检测到结束位
- 奇偶校验错误：校验位不符合约定的奇偶校验规则
- 噪声检测：过采样过程，中心点采样，3次采样，结果不一致

接收相关中断

中断事件	中断标志	中断使能位	中断清除方法
RDR 不为空	RXNE	RXNEIE	读 RDR 或向 RXFRQ 写入 1
RXFIFO 不为空	RXFNE	RXFNEIE	读 RDR 直到 RXFIFO 空或向 RXFRQ 写入 1
RXFIFO 满	RXFF	RXFFIE	读 RDR
达到 RXFIFO 阈值	RXFT	RXFTIE	读 RDR
溢出错误	ORE	RXNEIE/RXFNEIE	向 ORECF 写 1
检测到数据线空闲	IDLE	IDLEIE	向 IDLECF 写 1
奇偶校验错误	PE	PEIE	向 PECF 写 1

接收两种模式

阻塞（轮询）模式

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

非阻塞（中断）模式

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HAL_StatusTypeDef HAL_UART_Receive_IT(UART_HandleTypeDef *huart, uint8_t *pData,
                                        uint16_t Size);
//回调函数
//接收数据长度达到预设值引起的
void HAL_UART_RxCpltCallback(UART_HandleTypeDef *huart);
//RXFF引起
void HAL_UARTEx_RxFifoFullCallback(UART_HandleTypeDef *huart);

注意： HAL_UART_Receive_IT() 每调用一次，接收到要求长度的数据后，即取消接收中断状态，不再接收新的数据！需要重新手动开启接收中断

接收不定长数据

接收过程配合使用空闲(IDLE)中断

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HAL_StatusTypeDef HAL_UARTEx_ReceiveTodle_IT(UART_HandleTypeDef *huart, uint8_t
                                                *pData, uint16_t Size);
//回调函数
//IDLE引起
void HAL_UARTEx_RxEventCallback(UART_HandleTypeDef *huart, uint16_t Size);

注意： HAL_UARTEx_ReceiveToIdle_IT() 每调用一次，接收时检测到空闲中断或者接收到要求长度的数据后，即取消接收所有中断状态，不再接收新的数据！

print函数发送实现原理

printf()函数是通过调用库中的字符输出函数（不同的编译器，使用的库函数略有差异）实现数据的输出，字符输出函数默认是把字符输出到调试器控制窗口，要把数据通过USART输出到串口，需对字符输出函数重定向到USART端口上去

方式一：使用MicroLib库

在Keil MDK的STM32工程中，点击魔术棒，打开工程配置界面

MicroLib是一个专为深度嵌入式系统设计的C库，优化了代码和数据内存使用，适合在没有操作系统的环境中运行。相较于标准C库，MicroLib不包含文件I/O和宽字符支持，且某些函数执行速度可能较慢

fputc() 函数重定向

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#include <stdio.h>
int fputc(int ch, FILE *f)
{
    //向调试串口发送1字节数据
    HAL_UART_Transmit(&huart1, (uint8_t *)&ch, 1, 100);
    return ch;
}

方式二：取消半主机模式

半主机模式是嵌入式开发中一种特殊的调试机制，允许运行在目标设备上的代码使用主机（通常是开发计算机）的资源进行输入/输出操作。具体来说半主机模式通过以下方式工作：
- 嵌入式代码执行特定的指令序列（通常是断点指令或软中断）
- 调试器捕获这些指令并解释为服务请求
- 主机提供请求的服务（如文件I/O、控制台输出等）
- 结果通过调试接口返回给目标设备

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#if defined(__ARMCC_VERSION) && (__ARMCC_VERSION >= 6010050)
// ARM Compiler 6 (MDK V6)
// 禁用半主机模式
__asm(".global __use_no_semihosting\n");
//标准库需要的支持函数
struct FILE
{
    int handle;
};
FILE __stdout;
void _ttywrch(int ch)
{
    ch = ch;
}
#else
// ARM Compiler 5 (MDK V5)
// 禁用半主机模式
#pragma import(__use_no_semihosting)
struct __FILE {
    int handle; // 占位符，无实际用途（可简化）
};
FILE __stdout, __stdin; // 标准输入/输出流
#endif
//定义_sys_exit()以避免使用半主机模式
void _sys_exit(int x)
{
    x = x;
}
// 重定向 fputc 函数
int fputc(int ch, FILE *f)
{
    HAL_UART_Transmit(&huart1, (uint8_t*)&ch, 1, 100);
    return ch;
}