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1 UART硬件知识
UART（Universal Asynchronous Receiver and Transmitter）异步发送和接收，设备间通过发送TX、接收RX、地线GND连接：
1.1 串口参数
- 波特率：每秒传输的码元个数。串口通信中采用一个二进制位表示一个码元，因此波特率=比特率（bit/s）
- 起始位：先发出一个逻辑”0”的信号，表示传输数据的开始。
- 数据位：可以是5~8位逻辑”0”或”1”，如ASCII码（7位），扩展BCD码（8位），一般为小端传输。
- 校验位：一帧数据（数据位+校验位）中“1”的位数应为偶数(偶校验)或奇数(奇校验)，以此来校验数据传送的正确性。
- 停止位：一个字符数据的结束标志，一帧数据传输完成后进入逻辑"1"状态，状态持续时间可编程控制（0.5、1、1.5、2 * 波特率bit/s）。在STM32中的功能：
- 1停止位：默认值。
- 2停止位：正常的USART，单线和调制解调器模式支持。
- 0.5停止位：使用智能卡方式接收数据时使用。
- 1.5停止位：在智能卡模式下收发数据时使用。
1.2 串口电平
1.2.1 TLL/CMOS
传输‘A’时的波形：
- x~5V：逻辑1
- 0~yV：逻辑0
1.2.2 RS232
传输‘A’时的波形：
- -12V~-3V：逻辑1
- +3V~+12V：逻辑0
电平转换芯片（232<->TTL/COMS）：MAX3232、SP3232
1.2.3 RS485
使用差分信号传输：
- 逻辑1：+2V~+6V
- 逻辑0：-6V~-2V
电平转换芯片（485<->TTL/COMS）：MAX485
1.3 数据传输方向
1.4 串口内部结构
- 发送数据：CPU控制内存将数据通过FIFO传给UART模块，UART通过send shift register将数据发送出去，发送过程中会产生相应事件标志，告诉CPU发送状态；
- 接收数据：获取接收引脚电平，逐位放入receive shift register，再放入FIFO，写入内存。接收过程中也会产生相应事件标志，表面接收状态。
2 UART编程
2.1 STM32F1串口框架
2.2 编程步骤
2.2.1 使能UART/GPIO模块时钟
RCC寄存器基地址0x40021000
2.2.2 配置GPIO引脚模式
2.2.3 设置串口参数
设置数据格式
如：115200, 8n1表示波特率为115200, 8个数据位, 没有校验位，1个停止位。（起始位都为1）
- USART_CR1：设置数据位、校验位，使能USART
- USART_CR2：设置停止位
- USART_CR3：不使用硬件控制流
设置波特率
USARTDIV = DIV_Mantissa + (DIV_Fraction / 16) (DIV_Mantissa整数部分，DIV_Fraction小数部分)，由USART->BRR寄存器配置：
如USART1采用72M的PCLK2作为时钟，配置波特率为115200：
USARTDIV = 72000000/16/115200 = 39.0625
DIV_Mantissa = 39
DIV_Fraction = 0.0625 * 16 = 1
USART1->BRR = (DIV_Mantissa << 4) | DIV_Fraction
HAL库通过以下宏来配置：
#define UART_DIV_SAMPLING16(_PCLK, _BAUD) (((_PCLK)*25U)/(4U*(_BAUD)))
#define UART_DIV_Mantissa(_PCLK, _BAUD) (UART_DIV_SAMPLING16((_PCLK), (_BAUD))/100U) // f_CK/(16*baud)) -- 25/400 = 1/16
#define UART_DIV_Fraction(_PCLK, _BAUD) ((((UART_DIV_SAMPLING16((_PCLK), (_BAUD)) - (UART_DIV_Mantissa((_PCLK), (_BAUD)) * 100U)) * 16U) + 50U) / 100U) // 小数部分四舍五入 * 16
2.2.4 根据状态寄存器读写数据
- 状态寄存器
- 数据寄存器
3 示例代码
3.1 初始化
#define UART_DIV_SAMPLING16(_PCLK, _BAUD) (((_PCLK)*25U)/(4U*(_BAUD)))
#define UART_DIV_Mantissa(_PCLK, _BAUD) (UART_DIV_SAMPLING16((_PCLK), (_BAUD))/100U) // f_CK/(16*baud)) -- 25/400 = 1/16
#define UART_DIV_Fraction(_PCLK, _BAUD) ((((UART_DIV_SAMPLING16((_PCLK), (_BAUD)) - (UART_DIV_Mantissa((_PCLK), (_BAUD)) * 100U)) * 16U) + 50U) / 100U)
// RCC寄存器复位值为 0x0000XX83, 即默认开启HSI时钟(8M)
#define USART_CLK 8000000
void uart_init(USART_TypeDef* usart, uint32_t baud)
{
volatile uint32_t* preg;
//1 使能APB2总线下的GPIOA、USART2; 0x40021000为RCC寄存器, 0x18为RCC_APB2ENR寄存器偏移地址
preg = (volatile uint32_t*)(0x40021000 + 0x18);
*preg |= (1 << 2) | (1 << 14);
//2 配置PA9、PA10， GPIOA_CRH = 0x40010800 + 0x04
preg = (volatile uint32_t*)(0x40010800 + 0x04);
// PA9(USART1_TX)
*preg &= ~(0xf << 4);
*preg |= (0x9 << 4); // 10: Alternate function output Push-pull 01: Output mode, max speed 10 MHz
// PA10(USART1_RX)
// 复位时的默认值: 01: Floating input (reset state) 00: Input mode (reset state)
//3 设置串口参数
//3.1设置数据格式&使能串口
// 使能串口、使能发送、使能接收
usart->CR1 = (1 << 13) | (1 << 3) | (1 << 2);
// 数据格式: 1 Start bit, 8 Data bits, n Stop bit 、不校验
usart->CR1 &= ~((1 << 12) | (1 << 10));
// 1 Stop bit
usart->CR2 &= ~(3 << 12);
// 不使用硬件控制流 RTSE = CTSE = 0
usart->CR3 &= ~((1 << 8) | (1 << 9));
//3.2 波特率 baud = f_CK/(16*USARTDIV)), 则USARTDIV = f_CK/(16*baud)) --- f_CK(PCLK1 for USART2, 3, 4, 5 or PCLK2 for USART1)
usart->BRR = (UART_DIV_Fraction(USART_CLK, baud) & 0x0f) | (UART_DIV_Mantissa(USART_CLK, baud) << 4);
}
3.2 发送数据
- 发送一个字符
void putchar(USART_TypeDef* usart, char c)
{
// Bit 7 TXE: Transmit data register empty -- 1: Data is transferred to the shift register
while (!(usart->SR & (1 << 7))); // 发送数据寄存器内容没有全部转移到移位寄存器时等待
usart->DR = c;
}
- 发送字符串
void send_str(USART_TypeDef* usart, char* c)
{
while(*c)
putchar(usart, *c++);
}
3.3 接收数据
int getchar(USART_TypeDef* usart)
{
// Bit 5 RXNE: Read data register not empty -- 1: Received data is ready to be read.
while (!(usart->SR & (1 << 5))); // 接收数据寄存器为空是等待, 即没有收到数据
return usart->DR;
}
3.4 数据回显
int main()
{
USART_TypeDef *usart1 = (USART_TypeDef*)0x40013800;
while(1)
{
putchar(usart1, getchar(usart1));
}
}
END
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