[笔记]STM32串口USART

写在前面

记录STM32串口USART的学习笔记，包括 理论部分和 代码部分，理论部分讲解USART工作原理，涉及寄存器的控制，代码部分完全由库函数编写完成。

一.工作原理

1.USART功能框图

关于USART，首先要了解有关串口的基本知识，比如：同步、异步，单工、双工、半双工，串行、并行等基本概念，在51单片机中也有串口，叫做UART，和stm32单片机的串口相比少了一个S，stm32单片机的串口USART，中的S代表着同步的意思，表示其能使用同步通讯方式，使用异步通信方式的串口只需要TX和RX两根数据线即可，而同步通信方式还需要一根时钟线。stm32f10x系列芯片中包含5个串口，三个USART和两个UART，而USART1的时钟来源是APB2总线，时钟频率能达到72Mhz，其他串口最大时钟频率为32Mhz，这篇笔记以USART1为例。

首先要讲解的是USART的功能框图，图片来源野火开发板资料，如下：

1.1 引脚

关于引脚在此关注一下：TX、RX、nRTS、nCTS、SCLK。
TX & RX:发送引脚 和 接收引脚
两个硬件流控制引脚：
nRTS：请求以发送引脚，n表示低电平有效，USART准备接收新数据时候，nRTS变为低电平，接收完成变为高电平。
nCTS:清除一发送引脚，n表示低电平有效，发送器在发送下一帧数据时候检测nCTS,如果为低电平，则可以发送数据，否则在发送完前一帧数据后停止发送。
SCLK：发送器时钟输出引脚，仅用于同步模式。

1.2 数据寄存器USART_DR

USART外设包含这几个主要寄存器：

• USART_DR：数据寄存器
• USART_SR：状态寄存器
• USART_BRR：波特率寄存器
• USART_CR1：控制寄存器1

其中上图中的2表示的是数据寄存器USART_DR,USART_DR只有9位有效，并且第九位是否有效取决于USART控制器寄存器USART_CR1的M位设置，M=0,则为8位数据字长，M=1，则为9位数据字长，一般使用8位数据字长。
USART_DR包含两个寄存器 TDR和 RDR，前者是专门用于 发送 的 可写寄存器，后者是专门用于 接收 的 可读 寄存器。
串口通信是一个位一个位的传输，发送数据时候总线把数据为TDR寄存器，TDR寄存器数据转移到发送移位寄存器，然后把数据发送出去，接收数据时候把接收到的数据一位一位顺序保存到接收移位寄存器，再转移到RDR寄存器，再传给总线，配合上图2部分理解。

1.3 控制器

USART有专门控制发送的发送器和专门控制接收的接收器，还有唤醒单元，中断控制等，控制器分为发送器控制和接收器控制，使用USART之前向USART_CR1寄存器的UE位置1，使能USART.

1.3.1 发送器控制及字符帧组成

将USART_CR1寄存器发送使能位 TE 置1，启动数据发送，发送移位寄存器在TX引脚输出，低位在前，高位在后。发送的数据为字符帧，一个字符帧由三个部分组成，起始位、数据帧、停止位。
起始位是一个位周期的低电平，位周期是每一位数据占用的时间。
数据帧表示要发送的数据，8位或者9位，从低位开始传输。
停止位是一定时间周期的高电平，这个一定时间可以是0.5、1、1.5、2个周期，默认使用一个周期的停止位。通过USART_CR2的stop[1:0]控制。

发送数据的流程：发送使能位TE置1，发送器先发送一个空闲帧（一个数据帧长度的高电平），接着往USART_DR寄存器的 发送数据寄存器TDR写入数据，发送寄存器 把数据全部转到 移位寄存器 后，UDART_SR的TXE位置1，表示 发送寄存器 为空，发送移位寄存器 发送最后一个数据之后，USART_SR的TC位置1，表示数据传输完成。如果USART_CR1寄存器的TCIE位置1，可产生中断。

1.3.2 接收器控制

接收数据流程：USART_CR1寄存器的RE置1，使能USART接收，接收器在RX线上开始搜索起始位，确定起始位之后，根据RX电平状态，把数据放在 接收移位寄存器 中，接收完成后，把数据移到 接收数据寄存器RDR 内，并把USART_SR寄存器的RXNE位置1。如果USART_CR1的RXNEIE置1，可产生中断。

1.4 波特率

波特率表示数据传输的速率，波特率越大，速率越快，USART发送器和接收器使用相同的波特率，波特率计算公式如下：
波特率=$$\frac{f_{ck}}{16*USARTDIV}$$
fck表示时钟频率。
USARTDIV是一个存放在波特率寄存器USART_BRR中的无符号定点数。DIV_Mantissa[15:4]定义整数部分，DIV_Fraction[3:0]表示小数部分。

例1DIV_Mantissa=24（0x18）,DIV_Fraction=10(0x0A),则USART_BRR的值为0x18A。那么USARTDIV的小数部分为 10/16=0.625，则USARTDIV等于24.625。
例2以USART1为例子，为了得到115200的波特率，则USARTDIV该取多少？
由波特率公式一个算的UDARTDIV等于39.0625，可以知道DIV_Fraction=16 * 0.0625=1=0x01(取最近似值)，DIV_Mantissa=39=0x27,故USART_BRR等于0x271。

1.5 校验控制

使用奇偶校验则串口传输长度是8位数据帧加上1位校验位共9位，此时USART_CR1的M位置1,。USART_CR1寄存器的PCE位置1，可以启动奇偶位校验控制位。
奇偶校验由硬件自动完成，发送数据帧自动加校验位，接收时自动验证。此时的一个字符帧为：
起始位+数据帧+校验位+停止位

1.6 中断控制

USART有多个中断请求事件，其中有TXE、TC、RXNE中断时间比较常用，如下表格

二.代码

标准库函数对每一个外设都建立了一个初始哈结构体，USART的初始化结构体就是USART_InitTypDef,结构体成员用于设置外设工作参数，并由外设初始化函数调用，如USART_Init(),初始化结构体设定的参数将会通过设置外设相应的寄存器，完成配置外设的工作。初始化结构体和初始化库函数配合使用是标准库的精髓所在。

USART的初始化结构体：

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typedef struct{
    uint32_t USART_BaudRate;	//波特率
    uint32_t USART_WordLength;	//字长，通过USART_CR1寄存器的M位控制
    uint32_t USART_StopBits;	//停止位
    uint32_t USART_Parity;		//校验位
    uint32_t USART_Mode;		//USART模式
    uint32_t USART_HardwareFlowControl;	//硬件流控制
}USART_InitTypeDef;

USART时钟初始化结构体

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typedef struct{
    uint16_t USART_Clock;	//时钟使能控制
    uint16_t USART_CPOL;	//时钟极性
    uint16_t USART_CPHA;	//时钟相位
    uint16_t USART_LastBit;	//最尾位时钟脉冲
}USART_ClockCInitTypeDef;

在使用同步模式的时候需要配置时钟初始化结构体。

USART串口实验，代码编写

1. 使能TX和RX引脚的GPIO时钟和USART时钟。
2. 初始化GPIO，并将GPIO复用到USART。
3. 配置USART参数。
4. 配置中断控制器，并使能USART接受中断。
5. 使能USART。
6. 在USART接受中断服务函数实现中断功能。

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static void USART_Config(void)
{
	GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;
    USART_InitTypeDef USART_InitStructure;
    NVIC_InitTypeDef NVIC_InitStructure;
    
    RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_USART1,ENABLE);
    RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOA,ENABLE);
    
    //配置USART的TX和RX引脚的GPIO
    GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = 
    .....
    GPIO_Init(GPIOA,&GPIO_InitStructure);
    
    GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = 
    .....
    GPIO_Init(GPIOA,&GPIO_InitStructure);
    
    //配置USART的工作参数
    USART_InitStructure.USART_BaudRate = 
   	.....
    USART_Init(USART1,ENABLE);
    
    
    //配置NVIC嵌套向量中断控制
    //嵌套向量中断控制器组选择
	NVIC_PriorityCroupConfig(NVIC_PriorityGroup_2);
    NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannel = 
    ....
    NVIC_Init(&NVIC_InitStructure);
    
    //使能串口中断,发送寄存器为空中断
    USART_ITConfig(USART1,USART_IT_TXE,ENABLE)
    //使能串口
    USART_Cmd(USART1,ENABLE);
}

通过以上代码块完成USART的初始化配置，后续需要完成USART串口发送函数的编写。

字符发送函数

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/************************发送一个字符************************/
void USART_SendByte(USART_TypeDef *pUSARTx,uint8_t ch)
{
    //发送一个字节数据到USART
    USART_SendData(pUSARTx,ch);
    //等待发送数据寄存器为空
    while(USART_GetFlagStatus(pUSARTx,USART_FLAG_TXE) == RESET);
}
/************************发送字符串************************/
void USART_SendString(USART_TypeDef *pUSARTx,char *str)
{
	unsigned int k = 0;
    do
    {
        USART_SendByte(pUSARTx,*(str + k));
        k++;
    }while(*(str + k)!='\0');
    
    while(USART_GetFlagStatus(pUSARTx,USART_FLAG_TC) == RESET);
}