STM32：USART的原理與配置

1 前言

　　USART全稱universal synchronous asynchronous receiver transmitter通用同步異步接收發送器；速率最高可達4.5Mbits/s，波特率460800；

　　數據按位順序發送的串行通信接口簡稱串口，USART模塊是采用串行通信接口最常見的模塊，為了方便，就把USART簡稱為串口；

　　USART接口通過RX，TX，GND同其他設備相連；當TX引腳被禁止時，該引腳恢復GPIO的配置；當TX引腳使能且未發送數據時，該引腳處於高電平(空閑態)；

　　USART接口的數據字長度可編程，停止位長度可編程；可配置為DMA多緩沖通信；

2 USART的幀格式

　　串口數據應該遵循USART幀的格式，才能被串口識別；

　　首先總線需要持續至少一個空閑幀，然后連續發送數據幀，數據幀與數據幀之間有時會有斷開幀，斷開幀后需要接1-2bit停止位，連接下個數據幀；

　　斷開幀只能為10bit或11bit低電平的幀(CR1_SBK[0])；然后接1或2bit的高電平作為停止位，然后接下一個數據幀；

　　數據幀的數據字有兩種格式，(1)8 bit 數據位；(2)8bit 數據位 + 1 bit 奇偶校驗位；

　　　

3 USART的寄存器使用

　　每個USART都有7個自己的寄存器；用來配置該USART的所有功能；

　　有許多功能諸如硬件流控制，LIN模式，智能卡模式等，由於沒用過或是用不上，實在晦澀難懂費時費力，故在此全部跳過；

　　以下給出了USART作為常用串口收發數據的工作框圖，以及相關的寄存器配置；

　　3.1 工作框圖

　　　　

　　　　

　　3.2 相關寄存器配置

　　　　1)首先需要配置USART的6個參數：

　　　　　波特率USART_BRR，字長M，停止位STOP，校驗位PCE,PS,PEIE，USART的收發模式TE和RE和硬件流控制CTSIE,CTSE,RTSE；

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

　　　　　8個中斷使能均可以進入USART的中斷函數，根據需要配置合適的中斷使能位為1；通常為RXNEIE位；

　　　　3)然后使能接收器RE和發送器TE；

　　　　4)然后使能UE中斷；

　　　　　

4 USART的代碼示例

　　4.1 標准庫提供的常用USART接口

　　　　標准庫為所有的外設都提供了封裝寄存器的API接口函數，文件名為stm32f10x_peripheral.c；以下為usart外設的常用函數；

//串口USARTx的參數配置初始化函數；
void USART_Init(USART_TypeDef* USARTx, USART_InitTypeDef* USART_InitStruct);

//使能串口，(主要是分頻器和輸出的設置)
void USART_Cmd(USART_TypeDef* USARTx, FunctionalState NewState);
//使能串口中斷,(就是那8個中斷，均可以進入中斷函數)
void USART_ITConfig(USART_TypeDef* USARTx, uint16_t USART_IT, FunctionalState NewState);

//都是處理一個字節；
void USART_SendData(USART_TypeDef* USARTx, uint16_t Data);
uint16_t USART_ReceiveData(USART_TypeDef* USARTx);

//讀取SR寄存器的狀態，SR的狀態都是硬件設置的；
FlagStatus USART_GetFlagStatus(USART_TypeDef* USARTx, uint16_t USART_FLAG);
//讀取SR寄存器和CRx控制寄存器的狀態，和上面一個功能相同的；
ITStatus USART_GetITStatus(USART_TypeDef* USARTx, uint16_t USART_IT);

//修改SR寄存器的狀態，單功能通訊用不上；
void USART_ClearFlag(USART_TypeDef* USARTx, uint16_t USART_FLAG);

　　4.2 USART1使用代碼

#include "usartDemo.h"  

u8 USART1_RX_BUF[256];    //接收緩存
u8 USART1_RX_CNT = 0;    //接收字節計數
u8 USART1_REV_0D = 0;    //收到\r
u8 USART1_REV_0A = 0;    //收到\r和\n

//usart1初始化之后，便可以通過串口讀寫了；
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);    //設置NVIC中斷分組2:2位搶占優先級，2位響應優先級   0-3;

    //USART1外設中斷配置
    NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannel = USART1_IRQn;
    NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelPreemptionPriority=3 ;    //搶占優先級3
    NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelSubPriority = 3;            //子優先級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;    //輸出需要配置速率，輸入不需要配置速率；
    GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_AF_PP;        //復用推挽輸出,<中文..手冊>8.1.11外設的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;        //浮空輸入
    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中斷
    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); 
        //發送字節完成后，TC硬件置1；
    }    //先讀SR，后寫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);        //讀DR，硬件清0 RXNE位；
        USART1_RX_BUF[USART1_RX_CNT]=Res;    //接收數據  
        USART1_RX_CNT++; 
        if(Res==0x0d)
            USART1_REV_0D = 1;
        if(USART1_REV_0D&&(Res==0x0a))
            USART1_REV_0A = 1;                      
     }
    //RXNE為1，讀數據的同時又來了數據，那么新的數據丟失；產生溢出錯誤，讀完數據后RXNE為0，但ORE標志還在；
    //RXNE為1，又來了數據，產生接收溢出錯誤，置位ORE；
    if(USART_GetFlagStatus(USART1,USART_FLAG_ORE) == SET)
    {
        USART_ReceiveData(USART1);
    //    USART_ClearFlag(USART1,USART_FLAG_ORE);//先讀SR,后讀DR，可以復位ORE位；應該不用軟件清除了；
    }
    // USART_ClearFlag(USART1,USART_IT_RXNE); //讀DR可以清除RXNE，應該不用軟件清除了；
}

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

　　　　4.2.1 在前面代碼的基礎上不使用串口中斷，直接通過SR狀態位來判斷數據的收發；

　　　　　　將上面代碼的usart1初始化代碼中CR1的RXNEIE配置行注釋掉，然后修改main函數如下即可；

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 總結

　　5.1 USART的功能沒想到還挺多的，寄存器看起來就有些費時了，很多概念都是新的，不好理解，直接拉低了效率；

　　　　於是覺得這樣不行，應該用什么看什么，用到再看，學海無涯，精力有限；

　　　　另外人家費心費力寫好標准庫不就是為了幫開發人員省時間嗎？了解一下即可，以后沒必要深入；

　　5.2 代碼測試，參考網頁以及正點原子的例程；

　　　　本來是嘗試直接在接收函數里將接收到的函數發送回去的；大概因為都是寄存器的操作，並且又是在中斷函數里容易被中斷打斷；

　　　　所以不穩定，容易出現寄存器操作到一半被中斷打斷；讀寫序列打亂，導致程序丟幀或不能正常運行；

　　　　參考了別人的代碼，還是要用標志變量來表示接收完成，然后接收和發送分開來執行；這樣寄存器操作比較穩定，邏輯也清楚；

　　5.3 關於NVIC中斷優先級管理和串口的DMA傳輸功能，占個坑；

　　5.4 參考網頁：https://www.cnblogs.com/pertor/p/9488446.html

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