一、前言
前面我们学习了GPIO、AFIO、RCC、时钟树以及EXTI等知识，以及初步了解了STM32自己能完成什么事情了，现在我们学习一下串口通信，彻底搞懂单片机使用串口，与外界通信的原理。我是跟着铁头山羊和江科大的教程综合学习的。2位伟大的老师！
二、通信协议
我们都清楚，人与人之间通信都需要语言，语言就像是一种通信协议，中国人和中国人之间规定："我"是什么意思，"再见"是什么意思，"你好"是什么意思；那英国人和英国人不能用中国人与中国人的通信协议了，他们用自己的"I"表示我，"bye"表示再见，"hello"表示你好，这就是通信协议。
所以，如果要让单片机与外界通信，就需要规定通信协议，比如CAN的通信协议，I2C的通信协议，串口的通信协议等等，就看单片机要
用什么与外界通信了。
就比如单片机要用串口与外界通信，那么就要遵守串口的通信协议。
串口的通信协议
串口的通信协议比较简单，分为：起始位，数据位，校验位（可不选），停止位。
起始位：串口的Tx空闲时，都是高电平，如果需要发信息了，就需要发起始位，所以起始位是拉低Tx的电平，即起始位就是一位低电平
数据位：数据位分2种，根据长度分成长度为8和长度为9的数据位，数据就在这里发送，发送的数据内容根据ASCLL码表发送。
校验位：校验位包含在数据位里面，占1位，我们在配置串口时可以选择使用或者不使用校验位。比如长度为8的数据位里，我们使用校验位的话那么实际有效的数据只有7个bit，不足1字节
停止位：停止位为高电平，放在数据（含校验）之后，表示一帧结束。发完停止位，若继续发送，就立刻拉低 TX 产生起始位；若无数据发送，TX 持续高电平，保持空闲。串口可配置 1/1.5/2 位停止位，最常用 1 位。
这里拿铁头山羊老师教程里的例子为例，串口发送十进制数27和发送字符串"Hello"
注意，串口发送一个字节，先传最低 bit（LSB first），比如串口发送0001 1011，是先发送1-1-0-1-0-0-0-1，从最低位的bit开始发送！！
如果是输入数据的话，起始位和停止位和发送数据一样，只是要求在时钟高电平接收数据，保持同一个波特率。
奇校验与偶校验
校验方式有这2种
奇校验和偶校验原理差不多，比如我串口发送0x1100 0101，采用奇校验，那么校验位就需要补1，，保证数据位加校验位'1'的个数为奇数，接收方收到时就会判断'1'的个数是不是奇数，如果是说明发送正确。
如果采用偶校验，校验位就补0，保证数据位加校验位'1'的个数是偶数，接收方同样需要检查。
所以串口通信有4种方式，根据数据位长度和是否需要校验位决定
| 数据位 | 校验位 | 有效数据 bit | 说明 |
|---|---|---|---|
| 8bit | 关闭 | 8bit | 最常用，无校验，一字节完整数据 |
| 8bit | 开启 | 7bit | 剩下 1bit 作为校验位 |
| 9bit | 关闭 | 9bit | 多用于多机通信，地址标记位 |
| 9bit | 开启 | 8bit | 8bit 有效数据，1bit 校验位 |
三、USART收发流程
串口是全双工：发线 TX、收线 RX 互相独立，可以一边发、一边收，互不耽误。
收发本质：发送就是把并行的一个字节数据，拆成一串比特，按约定速度，串行送到线上；接收就是把线上一串串行比特，重新拼接成并行数据，拼成一个字节交给 CPU。
这是USART的框图，我们主要看上面的部分。
发送流程
CPU 先把数据放入发送数据寄存器 TDR，此时查看发送移位寄存器的状态，如果发送移位寄存器为空，就直接把 TDR 里的数据整体搬运到发送移位寄存器，再由发送移位寄存器按照低位先行的规则，逐位把比特送到 TX 引脚；如果发送移位寄存器正在工作、里面还有数据，就先等待移位寄存器把当前这一帧全部发送完毕、变空之后，再接收 TDR 里面的数据。
CPU 持续监测 TDR 的状态，当 TDR 变空时就会产生 TXE 提示，代表可以放入下一个新数据，只要及时往 TDR 写入新字节，就能在移位寄存器发完上一帧停止位之后立刻接续发送下一帧，实现不间断连续发送，直到所有数据发送完成，移位寄存器送出停止位后，就会产生 TC 提示，代表当前这一帧已经完整送到 TX 线上、TX 回到空闲状态。
接收流程
接收移位寄存器一直盯着 RX 引脚的电平，一旦抓到下降沿也就是起始位，就按照约定的波特率逐位采集线上比特，低位先行，先收到的数据放入低位，依次收下数据位、校验位、停止位，等一帧全部采集完成，就把拼好的完整字节整体送入 RDR，同时产生 RXNE 提示，告诉 CPU，RDR 里面已经收到新数据，等待 CPU 读取；如果 CPU 迟迟不把 RDR 里的数据取走，新的一帧又接收完成，RDR 放不下新数据，就会触发溢出错误，造成数据丢失。
四、USART寄存器
USART和其他外设寄存器原理差不多，肯定都有状态寄存器、控制寄存器和数据寄存器三大类，具体有
USART_SR 状态寄存器（Status Register） ------ 存储USART状态
USART_DR 数据寄存器（Data Register） ------ 存储收发数据（TDR/RDR 复用地址）
USART_BRR 波特率寄存器（Baud Rate Register） ------ 设置波特率
USART_CR1 控制寄存器 1 ------ 总开关、字长、校验、中断使能
USART_CR2 控制寄存器 2 ------ 停止位配置
USART_CR3 控制寄存器 3 ------ 流控、DMA等相关
状态寄存器**(USART_SR)**
只读寄存器，每一位记录当前USART的状态我们最常用的，比如：
PE：parity error，校验错误，如果为1时，说明出现奇偶校验错误。
RXNE：Rx no end，读数据寄存器非空，如果为1，说明收到数据了，可以读出数据，反之没有收到数据，不能读。
TC：Tx complete，发送完成，如果是1，说明发送完成，当包含有数据的一帧发送完成后，并且TXE=1时，由硬件将该位置'1'
TXE：Tx end发送结束，如果是1，说明发送结束，发送数据寄存器为空。
数据寄存器**(USART_DR)**
在寄存器层面，DR只有8位，但是在STM32硬件层面，TDR（发送数据寄存器）和RDR（接收数据寄存器）是独立存在2个寄存器的，DR既是TDR（发送数据寄存器），也是RDR（接收数据寄存器）。
那进行读写操作时，STM32怎么分清楚是读数据还是写数据，数据应该放在哪个寄存器呢？这就与指令知识有关了，一个指令包含 "要操作的地址和读写操作"，比如指令是"操作USART_DR 寄存器，写操作"，那么数据放到DR寄存器，但是在硬件上其实是放在TDR寄存器；如果指令是"操作USART_DR寄存器，读操作"，那么数据依旧是放到DR寄存器，但是硬件上其实是放在RDR寄存器。
进行写操作：写DR
把数据赋值到DR寄存器里，但实际上是写入TDR寄存器，此时，如果发送移位寄存器为空，即SR寄存器TXE 位为1，则立马把TDR里的数据放入发送移位寄存器，一位一位的移到Tx引脚；如果发送移位寄存器正在发送数据，即SR寄存器TXE位为0，那么就等待发送移位寄存器发送完数据之后，再把数据放入发送移位寄存器。当数据全部发送完成，最后一帧数据发送了停止位，串口进入空闲状态时，SR寄存器的TC标志位置1，表明发送完成。
注意：TXE置1，不意味着数据发完了，只是说发送移位寄存器发完一帧数据了，TDR可以往发送移位寄存器传下一个数据了，可能还会有下一帧数据，当TDR的数据放入发送移位寄存器时，TXE置1；但是TC位才是意味着数据正式发送完了，最后一个数据的停止位之后，Tx拉高，进入空闲状态，则TC置1。
进行读操作：读DR
读取DR寄存器里的数据，但实际上是读取RDR里的数据。具体流程是，数据从Rx引脚来，把Rx引脚的数据一位一位的存入接收移位寄存器，收满一帧数据之后，再整体放到DR寄存器，也就是RDR寄存器，此时SR寄存器的RXNE位硬件置1，表明RDR接收数据寄存器非空，然后由CPU通过数据总线读走数据，此时SR寄存器的RXNE位硬件置0，表明RDR接收数据寄存器空。
注意：如果RDR寄存器的数据还没被 CPU 读走，即此时RXNE=1，新的一帧又收好了要往 RDR 存，就触发 ORE 溢出错误，新数据覆盖旧数据。
波特比率寄存器**(USART_BRR)**
用来计算串口的波特率，波特率由串口收到的时钟，BRR寄存器（也就是分频系数DIV）的值共同决定。
寄存器分成两部分：高 12 位是 DIV_Mantissa（整数部分），低 4 位是 DIV_Fraction（小数部分），合起来就是分频系数 DIV。
我们看这个图，假设USART的输入时钟是72MHz，经过下面的波特率发生电路，我们只需要配置BRR寄存器来设置分频器里的值，再经过固定的16倍分频，得到115200的波特率。
计算BRR的值：
假设分频器为x，那么72Mhz/x/16 = 115200，这样就能算出x = 39.0625，这样，，把39.0625换算成二进制0000 0010 0111 0001，就能得到BRR的值了，BRR前12位为整数，后4位为小数
控制寄存器****1(USART_CR1)
这里只截取部分寄存器描述了
这个寄存器是非常重要的，包括串口数据字长但是，是否实验校验位，校验位选择奇校验还是偶校验，是否使能UART，是否允许产生中断，允许产生哪种类型的中断，是否允许接收或者发送？这些都是在这个寄存器控制的
一般常用的位有以下几个
- UE（bit13）：串口整体使能，配置好其他位之后，最后打开
- M（bit12）：数据字长，配置0，字长=8 位，1=9 位
- PCE（bit10）：校验使能，要不要校验就靠它
- PS（bit9）：奇偶选择，PCE 开启才生效，0 偶 1 奇
- TXEIE（bit7）：TXE 中断使能（发送寄存器空中断）
- TCIE（bit6）：TC 中断使能（发送完成中断）
- RXNEIE（bit5）：RXNE 中断使能（收到数据中断，最常用）
- TE（bit3）：发送使能
- RE（bit2）：接收使能
控制寄存器****2(USART_CR2)
这里只截取部分寄存器描述了。
这个寄存器主要是设置在串口同步模式下的一些配置，大部分位只有打开同步模式配置才有意义，我们只需要重点中断停止位的配置即可。
bit13、bit12 STOP 1:0：停止位配置
00：1 位停止位，默认，蓝牙、串口助手、绝大多数模块都用这个
01：0.5 位停止位
10：2 位停止位，远距离通信、一些老协议用来增加间隔、提升容错
11：1.5 位停止位
控制寄存器****3(USART_CR3)
这个寄存器常用到的就是位6和位7，DMA使能接收和DMA使能发送，如果需要用DMA转运收发的数据的话，就需要用到这2位。
这里面的有些位涉及到流控的概念，流控就是用来防止收得慢的一方被数据淹没、丢数据，收发双方互相通知对方 "能不能继续发"。
串口流控分两种：软件流控 XON/XOFF 、硬件流控 RTS/CTS（对应 CR3寄存器 里那两个位）。
硬件流控需要多加2条线，软件流控则根据收到的数据：收到 XON(0x11)，继续发，收到 XOFF(0x13)，停止发送。所以我们在使用软件流控时，避免传输0x11和0x13，以免被识别成流控信号。
一般高速波特率、大批量连续传输、接收端处理速度比较慢（比如一边收数据一边存 Flash），容易溢出丢数据，这时候加上硬件流控。
保护时间和预分频寄存器**(USART_GTPR)**
USART_GTPR 是保护时间与预分频寄存器，内部分为 GT 保护时间段和 PSC 预分频段，它不参与常规异步串口的波特率生成，只在 LIN 总线模式和智能卡通信模式下生效，GT 用来设置帧与帧之间需要预留的保护间隔时长，PSC 负责为这两种专用模式提供独立的预分频，产生对应功能所需要的采样时序，我们平时使用最常见的异步串口收发时不需要配置这个寄存器，保持复位默认值即可。