STM32：USART的原理与配置

1 前言

　　USART全称universal synchronous asynchronous receiver transmitter通用同步异步接收发送器；速率最高可达4.5Mbits/s，波特率460800；

　　数据按位顺序发送的串行通信接口简称串口，USART模块是采用串行通信接口最常见的模块，为了方便，就把USART简称为串口；

　　USART接口通过RX，TX，GND同其他设备相连；当TX引脚被禁止时，该引脚恢复GPIO的配置；当TX引脚使能且未发送数据时，该引脚处于高电平(空闲态)；

　　USART接口的数据字长度可编程，停止位长度可编程；可配置为DMA多缓冲通信；

2 USART的帧格式

　　串口数据应该遵循USART帧的格式，才能被串口识别；

　　首先总线需要持续至少一个空闲帧，然后连续发送数据帧，数据帧与数据帧之间有时会有断开帧，断开帧后需要接1-2bit停止位，连接下个数据帧；

　　断开帧只能为10bit或11bit低电平的帧(CR1_SBK[0])；然后接1或2bit的高电平作为停止位，然后接下一个数据帧；

　　数据帧的数据字有两种格式，(1)8 bit 数据位；(2)8bit 数据位 + 1 bit 奇偶校验位；

　　　

3 USART的寄存器使用

　　每个USART都有7个自己的寄存器；用来配置该USART的所有功能；

　　有许多功能诸如硬件流控制，LIN模式，智能卡模式等，由于没用过或是用不上，实在晦涩难懂费时费力，故在此全部跳过；

　　以下给出了USART作为常用串口收发数据的工作框图，以及相关的寄存器配置；

　　3.1 工作框图

　　　　

　　　　

　　3.2 相关寄存器配置

　　　　1)首先需要配置USART的6个参数：

　　　　　波特率USART_BRR，字长M，停止位STOP，校验位PCE,PS,PEIE，USART的收发模式TE和RE和硬件流控制CTSIE,CTSE,RTSE；

　　　　2)USART提供了8个中断：TXEIE, TCIE, RXNEIE, PEIE,  IDLEIE, CTSIE, LBDIE, EIE；

　　　　　8个中断使能均可以进入USART的中断函数，根据需要配置合适的中断使能位为1；通常为RXNEIE位；

　　　　3)然后使能接收器RE和发送器TE；

　　　　4)然后使能UE中断；

　　　　　

4 USART的代码示例

　　4.1 标准库提供的常用USART接口

　　　　标准库为所有的外设都提供了封装寄存器的API接口函数，文件名为stm32f10x_peripheral.c；以下为usart外设的常用函数；

//串口USARTx的参数配置初始化函数；
void USART_Init(USART_TypeDef* USARTx, USART_InitTypeDef* USART_InitStruct);

//使能串口，(主要是分频器和输出的设置)
void USART_Cmd(USART_TypeDef* USARTx, FunctionalState NewState);
//使能串口中断,(就是那8个中断，均可以进入中断函数)
void USART_ITConfig(USART_TypeDef* USARTx, uint16_t USART_IT, FunctionalState NewState);

//都是处理一个字节；
void USART_SendData(USART_TypeDef* USARTx, uint16_t Data);
uint16_t USART_ReceiveData(USART_TypeDef* USARTx);

//读取SR寄存器的状态，SR的状态都是硬件设置的；
FlagStatus USART_GetFlagStatus(USART_TypeDef* USARTx, uint16_t USART_FLAG);
//读取SR寄存器和CRx控制寄存器的状态，和上面一个功能相同的；
ITStatus USART_GetITStatus(USART_TypeDef* USARTx, uint16_t USART_IT);

//修改SR寄存器的状态，单功能通讯用不上；
void USART_ClearFlag(USART_TypeDef* USARTx, uint16_t USART_FLAG);

　　4.2 USART1使用代码

#include "usartDemo.h"  

u8 USART1_RX_BUF[256];    //接收缓存
u8 USART1_RX_CNT = 0;    //接收字节计数
u8 USART1_REV_0D = 0;    //收到

u8 USART1_REV_0A = 0;    //收到
和


//usart1初始化之后，便可以通过串口读写了；
void Usart1_Init(u32 bound)
{
    GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;
    USART_InitTypeDef USART_InitStructure;
    NVIC_InitTypeDef NVIC_InitStructure;

    RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_USART1|RCC_APB2Periph_GPIOA, ENABLE);
    NVIC_PriorityGroupConfig(NVIC_PriorityGroup_2);    //设置NVIC中断分组2:2位抢占优先级，2位响应优先级   0-3;

    //USART1外设中断配置
    NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannel = USART1_IRQn;
    NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelPreemptionPriority=3 ;    //抢占优先级3
    NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelSubPriority = 3;            //子优先级3
    NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelCmd = ENABLE;                //IRQ通道使能
    NVIC_Init(&NVIC_InitStructure);  
    
    //GPIO初始化 USART1_TX    PA9
    GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_9; 
    GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;    //输出需要配置速率，输入不需要配置速率；
    GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_AF_PP;        //复用推挽输出,<中文..手册>8.1.11外设的GPIO配置
    GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStructure);

    //GPIO初始化    USART1_RX    PA10
    GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_10;
    GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_IN_FLOATING;        //浮空输入
    GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStructure);

   //USART1初始化
    USART_InitStructure.USART_BaudRate = bound;
    USART_InitStructure.USART_WordLength = USART_WordLength_8b;
    USART_InitStructure.USART_StopBits = USART_StopBits_1;
    USART_InitStructure.USART_Parity = USART_Parity_No;
    USART_InitStructure.USART_HardwareFlowControl = USART_HardwareFlowControl_None;
    USART_InitStructure.USART_Mode = USART_Mode_Rx | USART_Mode_Tx;   //CR1中的TE,RE  
    USART_Init(USART1, &USART_InitStructure); 
    
    USART_ITConfig(USART1, USART_IT_RXNE, ENABLE);//CR1中的RXNEIE中断
    USART_Cmd(USART1, ENABLE);                    //CR1中的UE
}

void USART1_Send_Data(u8 *buf,u16 len)
{
    u16 t;
    for(t=0;t<len;t++)        
    {
        USART_SendData(USART1,buf[t]);
        while(USART_GetFlagStatus(USART1,USART_FLAG_TC)==RESET); 
        //发送字节完成后，TC硬件置1；
    }    //先读SR，后写DR清除TC位；
    USART1_RX_CNT = 0;
    USART1_REV_0D = 0;
    USART1_REV_0A = 0;  
}

void USART1_IRQHandler(void)                    
{
    u8 Res;
    if(USART_GetITStatus(USART1, USART_IT_RXNE) == SET)
     {
         Res =USART_ReceiveData(USART1);        //读DR，硬件清0 RXNE位；
        USART1_RX_BUF[USART1_RX_CNT]=Res;    //接收数据  
        USART1_RX_CNT++; 
        if(Res==0x0d)
            USART1_REV_0D = 1;
        if(USART1_REV_0D&&(Res==0x0a))
            USART1_REV_0A = 1;                      
     }
    //RXNE为1，读数据的同时又来了数据，那么新的数据丢失；产生溢出错误，读完数据后RXNE为0，但ORE标志还在；
    //RXNE为1，又来了数据，产生接收溢出错误，置位ORE；
    if(USART_GetFlagStatus(USART1,USART_FLAG_ORE) == SET)
    {
        USART_ReceiveData(USART1);
    //    USART_ClearFlag(USART1,USART_FLAG_ORE);//先读SR,后读DR，可以复位ORE位；应该不用软件清除了；
    }
    // USART_ClearFlag(USART1,USART_IT_RXNE); //读DR可以清除RXNE，应该不用软件清除了；
}

int main(void)
{
    Usart1_Init(460800);
    while(1)
    {
        if(USART1_REV_0A)
        {
            USART1_Send_Data(USART1_RX_BUF,USART1_RX_CNT);
        }
    }    
}

　　　　4.2.1 在前面代码的基础上不使用串口中断，直接通过SR状态位来判断数据的收发；

　　　　　　将上面代码的usart1初始化代码中CR1的RXNEIE配置行注释掉，然后修改main函数如下即可；

int main(void)
{
    Usart1_Init(460800); 
    while(1)
    {
        if ((USART_GetFlagStatus(USART1,USART_FLAG_RXNE)==SET))
        {
            USART1_RX_BUF[USART1_RX_CNT] = USART_ReceiveData(USART1);
            if(USART1_RX_BUF[USART1_RX_CNT]==0x0a)
                USART1_REV_0A = 1;
            USART1_RX_CNT++;
        }
        if(USART1_REV_0A)
        {
            USART1_REV_0A = 0;
            for(int i=0;i<USART1_RX_CNT;i++)
            {
                USART_SendData(USART1, USART1_RX_BUF[i]);
                while(USART_GetFlagStatus(USART1, USART_FLAG_TC)==RESET);
            }
            USART1_RX_CNT=0;
        }
    }
}

5 总结

　　5.1 USART的功能没想到还挺多的，寄存器看起来就有些费时了，很多概念都是新的，不好理解，直接拉低了效率；

　　　　于是觉得这样不行，应该用什么看什么，用到再看，学海无涯，精力有限；

　　　　另外人家费心费力写好标准库不就是为了帮开发人员省时间吗？了解一下即可，以后没必要深入；

　　5.2 代码测试，参考网页以及正点原子的例程；

　　　　本来是尝试直接在接收函数里将接收到的函数发送回去的；大概因为都是寄存器的操作，并且又是在中断函数里容易被中断打断；

　　　　所以不稳定，容易出现寄存器操作到一半被中断打断；读写序列打乱，导致程序丢帧或不能正常运行；

　　　　参考了别人的代码，还是要用标志变量来表示接收完成，然后接收和发送分开来执行；这样寄存器操作比较稳定，逻辑也清楚；

　　5.3 关于NVIC中断优先级管理和串口的DMA传输功能，占个坑；

　　5.4 参考网页：https://www.cnblogs.com/pertor/p/9488446.html

　　5.5 本文代码github：https://github.com/caesura-k/stm32f1_usart