標(biāo)準(zhǔn)庫(kù)3.5實(shí)現(xiàn)：
《嵌入式-STM32開(kāi)發(fā)指南》第二部分 基礎(chǔ)篇 - 第6章串口通信
6.1串口簡(jiǎn)介
通用同步異步收發(fā)器(USART)提供了一種靈活的方法與使用工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)NRZ異步串行數(shù)據(jù)格式的外部設(shè)備之間進(jìn)行全雙工數(shù)據(jù)交換撞鹉。USART利用分?jǐn)?shù)波特率發(fā)生器提供寬范圍的波特率選擇疆导。它支持同步單向通信和半雙工單線通信龄恋，也支持LIN(局部互連網(wǎng))不狮，智能卡協(xié)議和IrDA(紅外數(shù)據(jù)組織)SIR ENDEC規(guī)范，以及調(diào)制解調(diào)器(CTS/RTS)操作沉桌。它還允許多處理器通信敌土。使用多緩沖器配置的DMA方式瞳遍，可以實(shí)現(xiàn)高速數(shù)據(jù)通信压彭。圖一也就我們熟悉的串口通通信標(biāo)準(zhǔn)睦优。
如圖2所示，串口通過(guò)三個(gè)引腳與其他設(shè)備連接在一起壮不。任何USART雙向通信至少需要兩個(gè)腳：接收數(shù)據(jù)輸入(RX)和發(fā)送數(shù)據(jù)輸出(TX)汗盘。
? RX：接收數(shù)據(jù)串行輸入。通過(guò)采樣技術(shù)來(lái)區(qū)別數(shù)據(jù)和噪音询一，從而恢復(fù)數(shù)據(jù)隐孽。
? TX ：發(fā)送數(shù)據(jù)輸出。當(dāng)發(fā)送器被禁止時(shí)家凯，輸出引腳恢復(fù)到它的I/O端口配置缓醋。當(dāng)發(fā)送器被激活，并且不發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)绊诲，TX引腳處于高電平。在單線和智能卡模式里褪贵，此I/O 口被同時(shí)用于數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收掂之。
● 總線在發(fā)送或接收前應(yīng)處于空閑狀態(tài) ；
● 一個(gè)起始位 脆丁；
● 一個(gè)數(shù)據(jù)字(8或9位)世舰，最低有效位在前；
● 1或2個(gè)的停止位槽卫，由此表明數(shù)據(jù)幀的結(jié)束跟压；
● 使用分?jǐn)?shù)波特率發(fā)生器—— 12位整數(shù)和4位小數(shù)的表示方法。歼培；
● 一個(gè)狀態(tài)寄存器(USART_SR) 茸塞；
● 數(shù)據(jù)寄存器(USART_DR) ；
● 一個(gè)波特率寄存器(USART_BRR)查剖，12位的整數(shù)和4位小數(shù) 钾虐；
● 一個(gè)智能卡模式下的保護(hù)時(shí)間寄存器(USART_GTPR) ；
● IrDA_RDI: IrDA模式下的數(shù)據(jù)輸入笋庄；
● IrDA_TDO: IrDA模式下的數(shù)據(jù)輸出效扫；
● nCTS: 清除發(fā)送，若是高電平直砂，在當(dāng)前數(shù)據(jù)傳輸結(jié)束時(shí)阻斷下一次的數(shù)據(jù)發(fā)送菌仁；
● nRTS: 發(fā)送請(qǐng)求，若是低電平静暂，表明USART準(zhǔn)備好接收數(shù)據(jù)掘托。
異步串行通信以字符為單位，即一個(gè)字符一個(gè)字符地傳送 籍嘹。
串口外設(shè)的架構(gòu)圖（見(jiàn)圖 4）看起來(lái)十分復(fù)雜闪盔，實(shí)際上對(duì)于軟件開(kāi)發(fā)人員來(lái)說(shuō)，我們只需要大概了解串口發(fā)送的過(guò)程即可辱士。從下至上泪掀，我們看到串口外設(shè)主要由三個(gè)部分組成，分別是波特率控制颂碘、收發(fā)控制和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)轉(zhuǎn)移异赫。
? 波特率控制
波特率，即每秒傳輸?shù)亩M(jìn)制位數(shù)头岔，用 b/s （bps）表示塔拳，通過(guò)對(duì)時(shí)鐘的控制可以改變波特率。在配置波特率時(shí)峡竣，我們向波特比率寄存器 USART_BRR 寫(xiě)入?yún)?shù)靠抑，修改了串口時(shí)鐘 的 分 頻值USARTDIV 。 USART_BRR 寄存器包括兩部分适掰，分別是 DIV_Mantissa（USARTDIV 的整數(shù)部分）和 DIV_Fraction（USARTDIV 的小數(shù)）部分颂碧，最終，計(jì)算公式為 USARTDIV=DIV_Mantissa+（DIV_Fraction/16）类浪。
USARTDIV 是對(duì)串口外設(shè)的時(shí)鐘源進(jìn)行分頻的载城，對(duì)于 USART1，由于它掛載在 APB2總線上费就，所以它的時(shí)鐘源為 f PCLK2 诉瓦；而 USART2、3 掛載在 APB1 上，時(shí)鐘源則為 fPCLK1睬澡，串口的時(shí)鐘源經(jīng)過(guò) USARTDIV 分頻后分別輸出作為發(fā)送器時(shí)鐘及接收器時(shí)鐘固额，控制發(fā)送和接收的時(shí)序。
? 收發(fā)控制
圍繞著發(fā)送器和接收器控制部分猴贰，有好多個(gè)寄存器 ：CR1对雪、CR2、CR3 和 SR米绕，即USART 的三個(gè)控制寄存器（Control Register）及一個(gè)狀態(tài)寄存器（Status Register）瑟捣。通過(guò)向寄存器寫(xiě)入 各種控制參數(shù)來(lái)控制發(fā)送和接收，如奇偶校驗(yàn)位栅干、停止位等迈套，還包括對(duì)USART 中斷的控制 ；串口的狀態(tài)在任何時(shí)候都可以從狀態(tài)寄存器中查詢(xún)得到碱鳞。其中停止位的配置如圖3所示桑李。
發(fā)送配置步驟：
1 通過(guò)在USART_CR1寄存器上置位UE位來(lái)激活USART
2.編程USART_CR1的M位來(lái)定義字長(zhǎng)。
3.在USART_CR2中編程停止位的位數(shù)窿给。
4.如果采用多緩沖器通信贵白，配置USART_CR3中的DMA使能位(DMAT)。按多緩沖器通信中的描述配置DMA寄存器崩泡。
5.利用USART_BRR寄存器選擇要求的波特率禁荒。
6.設(shè)置USART_CR1中的TE位，發(fā)送一個(gè)空閑幀作為第一次數(shù)據(jù)發(fā)送角撞。
7.把要發(fā)送的數(shù)據(jù)寫(xiě)進(jìn)USART_DR寄存器(此動(dòng)作清除TXE位)呛伴。在只有一個(gè)緩沖器的情況下，對(duì)每個(gè)待發(fā)送的數(shù)據(jù)重復(fù)步驟7谒所。
8.在USART_DR寄存器中寫(xiě)入最后一個(gè)數(shù)據(jù)字后热康，要等待TC=1，它表示最后一個(gè)數(shù)據(jù)幀的傳輸結(jié)束劣领。當(dāng)需要關(guān)閉USART或需要進(jìn)入停機(jī)模式之前姐军，需要確認(rèn)傳輸結(jié)束，避免破壞最后一次傳輸剖踊。
接收配置步驟：
- 將USART_CR1寄存器的UE置1來(lái)激活USART庶弃。
2.編程USART_CR1的M位定義字長(zhǎng)
3.在USART_CR2中編寫(xiě)停止位的個(gè)數(shù)
4.如果需多緩沖器通信，選擇USART_CR3中的DMA使能位(DMAR)德澈。按多緩沖器通信所要求的配置DMA寄存器。
5.利用波特率寄存器USART_BRR選擇希望的波特率固惯。
6.設(shè)置USART_CR1的RE位梆造。激活接收器，使它開(kāi)始尋找起始位。
? 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)轉(zhuǎn)移
收發(fā)控制器根據(jù)我們的寄存器配置镇辉，對(duì)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)轉(zhuǎn)移部分的移位寄存器進(jìn)行控制屡穗。當(dāng)我們需要發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，內(nèi)核或 DMA 外設(shè)（一種數(shù)據(jù)傳輸方式忽肛，在后面介紹）把數(shù)據(jù)從內(nèi)存（變量）寫(xiě)入到發(fā)送數(shù)據(jù)寄存器 TDR 后村砂，發(fā)送控制器將適時(shí)地自動(dòng)把數(shù)據(jù)從 TDR 加載到發(fā)送移位寄存器，然后通過(guò)串口線 Tx屹逛，把數(shù)據(jù)一位一位地發(fā)送出去础废，當(dāng)數(shù)據(jù)從 TDR轉(zhuǎn)移到移位寄存器時(shí)，會(huì)產(chǎn)生發(fā)送寄存器 TDR 已空事件 TXE罕模，當(dāng)數(shù)據(jù)從移位寄存器全部發(fā)送出去時(shí)评腺，會(huì)產(chǎn)生數(shù)據(jù)發(fā)送完成事件 TC，這些事件可以在狀態(tài)寄存器中查詢(xún)到淑掌。而接收數(shù)據(jù)則是一個(gè)逆過(guò)程蒿讥，數(shù)據(jù)從串口線 Rx 一位一位地輸入到接收移位寄存器，然后自動(dòng)地轉(zhuǎn)移到接收數(shù)據(jù)寄存器 RDR抛腕，最后用內(nèi)核指令或 DMA 讀取到內(nèi)存（變量）中芋绸。
以上對(duì)串口通信進(jìn)行了簡(jiǎn)單介紹，為了方便各位讀者朋友更好的理解担敌，在這里筆者將引入一個(gè)新的思想--系統(tǒng)分層思想摔敛。既然各位對(duì)著有意于嵌入式，那么必須得有對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的架構(gòu)要有一定的認(rèn)知柄错。
6.2 STM32Cube生成工程
1.設(shè)置RCC
設(shè)置高速外部時(shí)鐘HSE舷夺，選擇外部時(shí)鐘源。
2.時(shí)鐘配置
筆者的板子使用的外部晶振為8MHz售貌，選擇外部時(shí)鐘HSE 8MHz 给猾，PLL鎖相環(huán)9倍頻后為72MHz，系統(tǒng)時(shí)鐘來(lái)源選擇為PLL颂跨，設(shè)置APB2分頻器為 /1敢伸，這時(shí)候定時(shí)器的時(shí)鐘頻率為72Mhz。本文筆者使用的定時(shí)器是USART1恒削，USART1掛在APB2上池颈，不同的USART掛在不同總線上的。
【注】APB1上面連接的是低速外設(shè)钓丰，包括電源接口躯砰、備份接口、CAN携丁、USB琢歇、I2C1、I2C2、USART2李茫、USART3揭保、UART4、UART5魄宏、SPI2秸侣、SP3等；而APB2上面連接的是高速外設(shè)宠互，包括UART1味榛、SPI1、Timer1名秀、ADC1励负、ADC2、ADC3匕得、所有的普通I/O口（PA-PE）继榆、第二功能I/O（AFIO）口等。
3.串口配置
點(diǎn)擊USATR1汁掠，設(shè)置MODE為異步通信(Asynchronous) 略吨，波特率為115200 Bits/s。傳輸數(shù)據(jù)長(zhǎng)度為8 Bit考阱。奇偶檢驗(yàn)無(wú)翠忠，停止位1 ，接收和發(fā)送都使能乞榨。
GPIO引腳設(shè)置 USART1_RX/USART_TX秽之，默認(rèn)即可。
NVIC Settings 一欄使能接收中斷吃既，人默認(rèn)沒(méi)打開(kāi)考榨。
6.3串口收發(fā)代碼講解
6.3.1串口發(fā)送代碼實(shí)現(xiàn)與講解（printf重定向）
我們先看如何實(shí)現(xiàn)的，再講解具體的代碼鹦倚。先實(shí)現(xiàn)printf重定向函數(shù)河质，在main.c中添加如下函數(shù)。
/**
* @brief 重定向c庫(kù)函數(shù)printf到USARTx
* @retval None
*/
int fputc(int ch, FILE *f)
{
HAL_UART_Transmit(&huart1, (uint8_t *)&ch, 1, 0xffff);
return ch;
}
/**
* @brief 重定向c庫(kù)函數(shù)getchar,scanf到USARTx
* @retval None
*/
int fgetc(FILE *f)
{
uint8_t ch = 0;
HAL_UART_Receive(&huart1, &ch, 1, 0xffff);
return ch;
}
在main()函數(shù)主循環(huán)中添加以下代碼：
printf("USART1 Test!\n");
HAL_Delay(1000);//這里的延時(shí)表示1s震叙。不清楚的請(qǐng)看滴答定時(shí)器的內(nèi)容
好了掀鹅，這就是串口發(fā)送代碼實(shí)現(xiàn)。另外媒楼，筆者在此給出輸出格式的說(shuō)明乐尊，請(qǐng)讀者朋友參考。
表1 輸出格式說(shuō)明
| 格式 | 說(shuō)明 |
|---|---|
| %d | 按照十進(jìn)制整型數(shù)打印 |
| %6d | 按照十進(jìn)制整型數(shù)打印划址，至少6個(gè)字符寬 |
| %f | 按照浮點(diǎn)數(shù)打印 |
| %6f | 按照浮點(diǎn)數(shù)打印科吭，至少6個(gè)字符寬 |
| %.2f | 按照浮點(diǎn)數(shù)打印昏滴，小數(shù)點(diǎn)后有2位小數(shù) |
| %6.2f | 按照浮點(diǎn)數(shù)打印猴鲫，至少6個(gè)字符寬对人，小數(shù)點(diǎn)后有2位小數(shù) |
| %x | 按照十六進(jìn)制打印 |
| %c | 打印字符 |
| %s | 打印字符串 |
完整代碼請(qǐng)查看配套程序，另外還需添加Use MicroLIB以便支持printf拂共。具體設(shè)置參看本節(jié)后文的小貼士部分牺弄。
好了，我們來(lái)總結(jié)下串口發(fā)送的流程：
1.初始化硬件宜狐，時(shí)鐘势告；
2.USART 的GPIO初始化，USART參數(shù)初始化抚恒；
3.重定向printf
4.打印輸出
這里只講解串口的參數(shù)初始化咱台，代碼如下：
static void MX_USART1_UART_Init(void)
{
/* USER CODE BEGIN USART1_Init 0 */
/* USER CODE END USART1_Init 0 */
/* USER CODE BEGIN USART1_Init 1 */
/* USER CODE END USART1_Init 1 */
huart1.Instance = USART1;
huart1.Init.BaudRate = 115200;
huart1.Init.WordLength = UART_WORDLENGTH_8B;
huart1.Init.StopBits = UART_STOPBITS_1;
huart1.Init.Parity = UART_PARITY_NONE;
huart1.Init.Mode = UART_MODE_TX_RX;
huart1.Init.HwFlowCtl = UART_HWCONTROL_NONE;
huart1.Init.OverSampling = UART_OVERSAMPLING_16;
if (HAL_UART_Init(&huart1) != HAL_OK)
{
Error_Handler();
}
/* USER CODE BEGIN USART1_Init 2 */
/* USER CODE END USART1_Init 2 */
}
這是STM32cudeMX自動(dòng)生成的代碼，我們要注意UART_HandleTypeDef結(jié)構(gòu)體俭驮，這個(gè)結(jié)構(gòu)體就是用來(lái)配串口參數(shù)的回溺，原型如下：
typedef struct __UART_HandleTypeDef
{
USART_TypeDef *Instance; /*!< UART registers base address */
UART_InitTypeDef Init; /*!< UART communication parameters */
uint8_t *pTxBuffPtr; /*!< Pointer to UART Tx transfer Buffer */
uint16_t TxXferSize; /*!< UART Tx Transfer size */
__IO uint16_t TxXferCount; /*!< UART Tx Transfer Counter */
uint8_t *pRxBuffPtr; /*!< Pointer to UART Rx transfer Buffer */
uint16_t RxXferSize; /*!< UART Rx Transfer size */
__IO uint16_t RxXferCount; /*!< UART Rx Transfer Counter */
DMA_HandleTypeDef *hdmatx; /*!< UART Tx DMA Handle parameters */
DMA_HandleTypeDef *hdmarx; /*!< UART Rx DMA Handle parameters */
HAL_LockTypeDef Lock; /*!< Locking object */
__IO HAL_UART_StateTypeDef gState; /*!< UART state information related to global Handle management
and also related to Tx operations.
This parameter can be a value of @ref HAL_UART_StateTypeDef */
__IO HAL_UART_StateTypeDef RxState; /*!< UART state information related to Rx operations.
This parameter can be a value of @ref HAL_UART_StateTypeDef */
__IO uint32_t ErrorCode; /*!< UART Error code */
} UART_HandleTypeDef;
這個(gè)結(jié)構(gòu)體很簡(jiǎn)單，也有英文注釋?zhuān)P者就不在贅述了混萝。當(dāng)然啦遗遵，除了使用普通方式發(fā)送，還可使用中斷方式和DMA方式發(fā)送數(shù)據(jù)逸嘀。這里中斷發(fā)送數(shù)據(jù)就不講了车要，下面會(huì)將中斷接收，有興趣的朋友請(qǐng)自行去看參考手冊(cè)自行實(shí)現(xiàn)崭倘，DMA方式會(huì)在將軍誒DMA的時(shí)候講解翼岁。
HAL_UART_Transmit_IT();串口中斷模式發(fā)送
HAL_UART_Transmit_DMA();串口DMA模式發(fā)送
6.3.2串口接收代碼實(shí)現(xiàn)與講解（中斷方式）
和串口發(fā)送數(shù)據(jù)一樣，先看如何實(shí)現(xiàn)的司光，然后再進(jìn)行代碼講解琅坡，
在main.c中添加下列定義：
#define RXBUFFERSIZE 256 //最大接收字節(jié)數(shù)
char TxBuffer[RXBUFFERSIZE]; //發(fā)送緩沖
uint8_t RxBuffer; //接收中斷緩沖
uint8_t Uart1_Rx_Cnt = 0; //接收緩沖計(jì)數(shù)
在main()主函數(shù)中，調(diào)用一次接收中斷函數(shù)
HAL_UART_Receive_IT(&huart1, (uint8_t *)&RxBuffer, 1);
在main.c下方添加中斷回調(diào)函數(shù)
void HAL_UART_RxCpltCallback(UART_HandleTypeDef *huart)
{
/* Prevent unused argument(s) compilation warning */
UNUSED(huart);
/* NOTE: This function Should not be modified, when the callback is needed,
the HAL_UART_TxCpltCallback could be implemented in the user file
*/
if(Uart1_Rx_Cnt >= 255) //溢出判斷
{
Uart1_Rx_Cnt = 0;
memset(TxBuffer,0x00,sizeof(TxBuffer));
HAL_UART_Transmit(&huart1, (uint8_t *)"數(shù)據(jù)溢出", 10,0xFFFF);
}
else
{
TxBuffer[Uart1_Rx_Cnt++] = RxBuffer; //接收數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)存
if((TxBuffer[Uart1_Rx_Cnt-1] == 0x0A)&&(TxBuffer[Uart1_Rx_Cnt-2] == 0x0D)) //判斷結(jié)束位
{
HAL_UART_Transmit(&huart1, (uint8_t *)&TxBuffer, Uart1_Rx_Cnt,0xFFFF); //將收**加粗樣式**到的信息發(fā)送出去
while(HAL_UART_GetState(&huart1) == HAL_UART_STATE_BUSY_TX);//檢測(cè)UART發(fā)送結(jié)束
Uart1_Rx_Cnt = 0;
memset(TxBuffer,0x00,sizeof(TxBuffer)); //清空數(shù)組
}
}
HAL_UART_Receive_IT(&huart1, (uint8_t *)&RxBuffer, 1); //開(kāi)啟接收中斷
}
好了飘庄，要添加的代碼就這些了脑蠕，下面講解如何實(shí)現(xiàn)串口中斷接收的。先看串口接收的編程流程：
1.硬件初始化跪削，時(shí)鐘初始化谴仙；
2.串口GPIO初始化，串口參數(shù)配置碾盐；
3.在main()函數(shù)中使能中斷接收晃跺；
4.編寫(xiě)HAL_UART_RxCpltCallback中斷回調(diào)函數(shù)，處理接收的數(shù)據(jù)毫玖，
【注】中斷接收函數(shù)只能觸發(fā)一次接收中斷掀虎，所以我們需要在中斷回調(diào)函數(shù)中再次調(diào)用中斷接收函數(shù)凌盯。這里可以對(duì)比下標(biāo)準(zhǔn)庫(kù)的流程。
6.3.4實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象
? 串口發(fā)送
將程序編譯好下載到板子中烹玉，打開(kāi)串口助手驰怎，按下圖設(shè)置相應(yīng)參數(shù)，按下板子的復(fù)位按鍵二打，在接收區(qū)可以看到如下信息县忌。
? 串口接收
將程序編譯好下載到板子中，打開(kāi)串口助手继效，按下圖設(shè)置相應(yīng)參數(shù)症杏，按下板子的復(fù)位按鍵，在接收區(qū)可以看到如下信息瑞信。
小貼士：printf 函數(shù)重定向
要想 printf() 函數(shù)工作的話厉颤，我們需要把 printf() 重新定向到串口中。重定向是指用戶(hù)可以自己重寫(xiě) C 的庫(kù)函數(shù)凡简，當(dāng)連接器檢查到用戶(hù)編寫(xiě)了與 C 庫(kù)函數(shù)相同名字的函數(shù)時(shí)逼友，優(yōu)先采用用戶(hù)編寫(xiě)的函數(shù)，這樣用戶(hù)就可以實(shí)現(xiàn)對(duì)庫(kù)的修改了潘鲫。
為了實(shí)現(xiàn)重定向 printf() 函數(shù)翁逞，我們需要重寫(xiě) fputc() 這個(gè) C 標(biāo)準(zhǔn)庫(kù)函數(shù)，因?yàn)?printf()在 C 標(biāo)準(zhǔn)庫(kù)函數(shù)中實(shí)質(zhì)是一個(gè)宏溉仑，最終是調(diào)用了 fputc() 這個(gè)函數(shù)挖函。
重定向的這部分工作， 由main.c 文件中的 fputc（int ch, FILE *f） 這個(gè)函數(shù)來(lái)完成浊竟。重定向時(shí)怨喘，我們把 fputc( ) 的形參 ch，作為串口將要發(fā)送的數(shù)據(jù)振定，也就是說(shuō)必怜，當(dāng)使用 printf( ) 時(shí)，它先調(diào)用這個(gè) fputc( ) 函數(shù)后频，然后使用 ST 庫(kù)的串口發(fā)送函數(shù) USART_SendData()梳庆，把數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)移到發(fā)送數(shù)據(jù)寄存器 TDR，觸發(fā)我們的串口向 PC 發(fā)送一個(gè)相應(yīng)的數(shù)據(jù)卑惜。調(diào) 用 完 USART_SendData( ) 后 膏执， 要 使 用 while (USART_GetFlagStatus（USART1,USART_FLAG_TC）!= SET） 語(yǔ)句不停地檢查串口發(fā)送是否完成的標(biāo)志位TC，一直檢測(cè)到標(biāo)志為“完成”露久，才進(jìn)入下一步的操作更米，避免出錯(cuò)。在這段 while 循環(huán)檢測(cè)的延時(shí)中毫痕，串口外設(shè)已經(jīng)由發(fā)送控制器以及根 據(jù)我們的配置把數(shù)據(jù)從移位寄存器一位一位地通過(guò)串口線 Tx 發(fā)送出去了征峦。
【注意】printf函數(shù)在“stdio.h”頭文件里迟几，使用該函數(shù)必須引用“stdio.h”庫(kù), 還
要在編譯器中設(shè)置一個(gè)選項(xiàng) Use MicroLIB （使用微庫(kù)）。設(shè)置方式如下：
單擊Project栏笆，選擇option選項(xiàng)类腮，再選擇Target 勾選Use MicroLIB 即可。
代碼獲取方式
1.關(guān)注公眾號(hào)[嵌入式實(shí)驗(yàn)樓]
2.在公眾號(hào)回復(fù)關(guān)鍵詞[STM32F1]獲取資料
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