STM32-USART串口

概念

USART是一种通用异步收发器。用于设备间的串行通信。USART一共有两根线，一根为Tx，用于发送数据，一根为Rx，用于接收数据。

USART是进行设备间通信的，可以是和板子上面的外设，也可以连接上位机进行通信。只要对方设备支持串口通信就可以。在连接中，一方的Tx连接另一方的Rx。双方GND都接地

USART通信特点

USART为串行，异步，全双工，1对1进行通信的。

串行和并行：比如现在有八个bite要进行发送，并行可以把八个bite放在八条线上之间一次性发送，串行则需要把八个bite一个个的放在一条线上进行发送。

同步和异步：同步通信可以通过时钟信号来规定，某一时刻接收什么样的数据，异步则是需要通过定义好，波特率，帧格式来进行限定。

我们在stm32中，可以之间观察是否有时钟信号，就可以判断为同步还是异步。注意这里的时钟信号和RCC配置的时钟树的时钟信号，是两个东西。

1v1，1v多和多v多：这里的为1对1，这个很好理解。后面我们还会学到I2C，SPI为一主多从的场景。

全双工，半双工，单工：这里的概念和计算机网络相同。全双工为双方没有限制，可以互发数据，半双工为可以互发数据，但是不能同时互相发送，单工为只能由一方向另一方发送数据。

MCU和串口

串口属于MCU上的片上外设。

我们可以看到，在APB1和APB2上均接有串口。但是我们也可以看到，有的叫USART，有的叫做UART，这两个有什么区别呢？

UART和USART

UART为通用异步收发器，USART为通用同步/异步收发器

但是我们在串口一般不使用同步，所以我们后续学习，认为两个相同。

4方关系

串口基本通信过程

这里我们就通过这条红线进行发送，但是有两个问题，第一，我怎么你到你发多块，MCU端数据已经发完了，但串口设备端才接收了两个比特。第二，我怎么知道你什么时候开始发送，什么时候结束。

对于第一个问题，我们就使用波特率来进行约束，约束它的发送速度是多少。什么是波特率呢，就是传码率，我一秒发送了多少个信号，但是一个信号不一定代表一个bite啊，所以波特率>=比特率但是在USART中，使用的是二进制码元，所以波特率=比特率。

对于第二个问题，就可以使用帧格式来进行约束。

我们设置空闲时为高电平，第一位起始位拉低电平一位，后开始发送数据，最后校验位可选，随后拉高电平，1，1.5，2电平的停止位。在实际开发中，一般是八位数据位加一位校验位。这里校验位分为奇校验，和偶校验。规则就是，数据位加校验位1的个数是奇数还是偶数。

USART简化原理结构图

这里我们主要关注5这个部分就行。其中1就是一些引脚，2是波特率控制相关，3是一些控制寄存器，4是状态寄存器相关，5是数据收发，6是智能卡模式才会使用。

我们把5简化一下就是这样的一个逻辑。然后TX和RX接到GPIO上，在接出外面。

发送的时候，数据先会放到TDR寄存器当中，然后由内部移到转移到移位寄存器，然后在发送控制器的控制下发送出去。接收的时候，先接收到接收移位寄存器，在由内部转移到RDR当中，随后读走数据。接收和发送都要靠时钟来进行控制。这里注意，TDR和RDR实际只有一共共用的DR寄存器。

与之前讲的一样，USART也是内部存在寄存器，我们还是通过控制寄存器来控制串口。

这个DR寄存器也解释了我们上面所说的内容。

这里有一个情况是，发送方确实按照约定好的波特率和帧格式进行发送，但接收方没有及时的取走数据，就会造成数据的丢失，比如发送方连续发送五个字节，接收方接受了一个字节后，代码停止了一秒，这个时候当第二字节把输入移位寄存器写完后，会把三四五字节丢弃，造成数据丢失。这种问题我们后面通过代码把全双工改为半双工就可以避免。这个问题不能靠寄存器来进行控制。还有一种问题如下。

发送方一直在往TDR中写，第一字节写完，移位到发送移位寄存器中，但没有完全发送，会不会第二字节给移上去，产生了覆盖，第二点，会不会在TDR中，直接产生覆盖，第三个问题，在读数据时，它怎么能确定，现在读的数据是不是接收的数据呢？显然这些问题发生在串口内部，可以通过寄存器来进行控制。

我们关注好5，6，7位，就可以解决上述问题。

第五位来解决第三个问题。当为0，表示没有数据不能读取。当为1，表示可以读取。第七位若为0，则表示现在DR中有数据，不能写入，1则表示现在可以写。第六位为0则表示没有发送完成，DR中数据不能移位。为1则表示发送完成，可以写入。像这样进行发送和接收，就是阻塞式发送和接收。

轮询模式数据收发代码和源码

我们这里使用CH340K来实现串口间的上位机和板子通信。

这里我们按照如上来进行配置。

cpp 复制代码

while (1) 
{ 
    if (HAL_OK == HAL_UART_Receive(&huart1, &recv_byte, 1, HAL_MAX_DELAY)) 
    { 
        // HAL_Delay(100); // bug测试 
        // 这里有坑，为了看到效果，不建议设置为HAL_MAX_DELAY，因为发送要等待TC==1，这样会
        // 导致HAL_UART_Receive接收变慢，但是发送端是一直在发送的 
        // 这样可能会丢失数据，设置为0，直接交给硬件然后立即返回进行接收 
        HAL_UART_Transmit(&huart1, &recv_byte, 1, 0); 
    } 
    cnt++; 
    if (cnt >= 10) // 收到10个字节就翻转一下 
    { 
        cnt = 0; 
        HAL_GPIO_TogglePin(GPIOF, GPIO_PIN_8); 
    } 
    /* USER CODE END WHILE */ 
    /* USER CODE BEGIN 3 */ 
}

上位机我们使用comtool来进行通信，接收到什么就给返回什么。

首先我们需要明确usart依然是一个地址，然后转为了结构体，里面存着寄存器，不同的是，这里HAL对其还进行了一个封装，使用了句柄结构体进行了定义。

cpp 复制代码

typedef struct
{
  __IO uint32_t SR;         /*!< USART Status register,                   Address offset: 0x00 */
  __IO uint32_t DR;         /*!< USART Data register,                     Address offset: 0x04 */
  __IO uint32_t BRR;        /*!< USART Baud rate register,                Address offset: 0x08 */
  __IO uint32_t CR1;        /*!< USART Control register 1,                Address offset: 0x0C */
  __IO uint32_t CR2;        /*!< USART Control register 2,                Address offset: 0x10 */
  __IO uint32_t CR3;        /*!< USART Control register 3,                Address offset: 0x14 */
  __IO uint32_t GTPR;       /*!< USART Guard time and prescaler register, Address offset: 0x18 */
} USART_TypeDef;

这个就是句柄的定义，第一个参数就是usaet结构体，第二个是初始化配置信息，包含波特率，数据长度，停止位，校验位，收发模式等待。第三个是发送缓冲区指针，发送缓冲区要发送大小，还剩多少，和接收缓冲区指针，接收缓冲区接收总大小，还有多少要接收，接收类型，接收事件。

cpp 复制代码

typedef enum
{
  HAL_OK       = 0x00U,
  HAL_ERROR    = 0x01U,
  HAL_BUSY     = 0x02U,
  HAL_TIMEOUT  = 0x03U
} HAL_StatusTypeDef;

这是四种返回数据，代表请求的类型。

cpp 复制代码

  /*-------------------------- USART CR2 Configuration -----------------------*/
  /* Configure the UART Stop Bits: Set STOP[13:12] bits
     according to huart->Init.StopBits value */
  MODIFY_REG(huart->Instance->CR2, USART_CR2_STOP, huart->Init.StopBits);

初始化源码

cpp 复制代码

#define MODIFY_REG(REG, CLEARMASK, SETMASK)  WRITE_REG((REG), (((READ_REG(REG)) & (~(CLEARMASK))) | (SETMASK)))
#define USART_CR2_STOP_Pos                  (12U)                              
#define USART_CR2_STOP_Msk                  (0x3UL << USART_CR2_STOP_Pos)       /*!< 0x00003000 */
#define USART_CR2_STOP                      USART_CR2_STOP_Msk

这个代码我们之前讲过，相当于把0，设置到12，13位

12，13位为00，表示停止位只有一个。配置的逻辑和之前基本是一样的。

HAL_UART_Receive源码

cpp 复制代码

    /* Init tickstart for timeout management */
    tickstart = HAL_GetTick();

    huart->RxXferSize = Size;
    huart->RxXferCount = Size;

    /* In case of 9bits/No Parity transfer, pRxData needs to be handled as a uint16_t pointer */
    if ((huart->Init.WordLength == UART_WORDLENGTH_9B) && (huart->Init.Parity == UART_PARITY_NONE))
    {
      pdata8bits  = NULL;
      pdata16bits = (uint16_t *) pData;
    }
    else
    {
      pdata8bits  = pData;
      pdata16bits = NULL;
    }

这里，首先获得一个时间戳，来为后面超时作准备，随后把要接收的总大小和还没有接收到的大小设为传进来的值，随后，如果传入九位全为数据，则八个bit位装不下。

cpp 复制代码

    /* Check the remain data to be received */
    while (huart->RxXferCount > 0U)
    {
      if (UART_WaitOnFlagUntilTimeout(huart, UART_FLAG_RXNE, RESET, tickstart, Timeout) != HAL_OK)
      {
        huart->RxState = HAL_UART_STATE_READY;

        return HAL_TIMEOUT;
      }
      if (pdata8bits == NULL)
      {
        *pdata16bits = (uint16_t)(huart->Instance->DR & 0x01FF);
        pdata16bits++;
      }
      else
      {
        if ((huart->Init.WordLength == UART_WORDLENGTH_9B) || ((huart->Init.WordLength == UART_WORDLENGTH_8B) && (huart->Init.Parity == UART_PARITY_NONE)))
        {
          *pdata8bits = (uint8_t)(huart->Instance->DR & (uint8_t)0x00FF);
        }
        else
        {
          *pdata8bits = (uint8_t)(huart->Instance->DR & (uint8_t)0x007F);
        }
        pdata8bits++;
      }
      huart->RxXferCount--;
    }

这里循环，首先看有没有接收完，然后进入等待。

cpp 复制代码

#define __HAL_UART_GET_FLAG(__HANDLE__, __FLAG__) (((__HANDLE__)->Instance->SR & (__FLAG__)) == (__FLAG__))

这里Flag就是RXNE这一位，要看能否读取数据，这一位自己为1，然后与上寄存器，如果相等，说明寄存器为1，则循环为0，跳出循环，下面检查超时，第一个为检查是否死等，还是定时，或者直接不等三种情况。然后这个代码出去，如果是不是HAL_OK则超时，否则读取DR寄存器数据，随后指针++，读取到下一缓存，然后最后huart->RxXferCount--;

我们之前说，外设都需要RCC配置时钟树来进行使能，当然，这个也不例外

对fgetc和fputc进行改写

我们对这两个进行改写后，我们就可以直接调用printf，scanf，fgets等直接进行串口上的通信。

cpp 复制代码

int fputc(int ch, FILE *fp)
{
    (void)fp;
    if (ghusart != NULL)
    {
        if (HAL_UART_Transmit(ghusart, (uint8_t *)&ch, 1, HAL_MAX_DELAY))
        {
            return ch;
        }
    }
    return EOF;
}
int fgetc(FILE *fp)
{
    uint8_t ch;
    UNUSED(fp);
    if (ghusart != NULL)
    {
        while (1)
        {
            if (HAL_UART_Receive(ghusart, &ch, 1, HAL_MAX_DELAY) != HAL_OK)
            {
                return EOF;
            }
            if (ch != '\r')
            {
                return (int)ch;
            }
        }
    }
    else
    {
        return EOF;
    }
}

这里记得启用MicroLIB

模块化多文件

我们前面编写代码都是只在main里面编写，现在我们要把外设给拉出来。

我们要先自己建立好这个模板，随后在Keil中进行配置

命名可以随意，但要符合逻辑

随后找到刚才的.c加入进来，在.c中包含.h

这里需要添加头文件搜索路径，因为我们这里的组，是一个逻辑概念，它和之前的那些idea不同，它不是按照windows下的文件夹顺序来排的，它是你自己组的逻辑结构，比如你在这里删除文件，但是文件其实还是存在的，只是在这个逻辑中删除了。此时直接编译.h文件就加进来了。

cpp 复制代码

#ifndef __BSP_USART_REDIR_H
#define __BSP_USART_REDIR_H

#ifdef __cplusplus
extern "C" {
#endif


#ifdef __cplusplus
}
#endif

#endif

在头文件中加入这个代码，一个解决重复包含，第二个保证在c++下也可以编译。这样就可以进行多文件编写了。

概念

USART通信特点

MCU和串口

UART和USART

4方关系​​​​​​​

串口基本通信过程​​​​​​​

USART简化原理结构图

轮询模式数据收发代码和源码

初始化源码

HAL_UART_Receive源码

对fgetc和fputc进行改写

模块化多文件

4方关系

串口基本通信过程