STM32——串口（UART）使用
写在前面：本节我们学习STM32F1串口，说实话，对于一个初学者来说，在学习这节内容的时候，牵涉的一些知识使我也很困惑。特别是利用HAL库的中断回调机制。至此，对于有些内容我依旧是感到迷惑，还是希望多看，多试尽力的有一个好的理解。
目录
一、数据通信的基本概念
在学习单片机中，数据的通信是不可缺少的一部分，比如：模块之间的数据传输，单片机同上位机之间的数据传输，而不同的数据传输拥有不同的传输协议。比如：UART、IIC、SPI、USB等等。所以在使用这些传输方式之前，我们需要对一些基本的概念做一了解。
1.1串并行通信
按照数据通信方式分为：串行通信与并行通信；
串行通信：数据逐位按顺序依次进行传输；
并行通信：数据各位通过多条线同时进行传输；（8位、16位、32位等）
1.2单工、半双工与全双工通信
根据数据传输方向，通信又可分为全双工、半双工和单工通信；
单工：指数据传输仅能沿一个方向，不能实现反方向传输，如校园广播。
半双工：指数据传输可以沿着两个方向，但是需要分时进行，如对讲机。
全双工：指数据可以同时进行双向传输，日常的打电话属于这种情形。
1.3同步、异步通信
根据数据同步方式，通信又可分为同步通信和异步通信。
同步通信：要求通信双方共用同一时钟信号，在总线上保持统一的时序和周期完成信息传输。
异步通信：不需要时钟信号，而是在数据信号中加入开始位和停止位等一些同步信号，以便使接收端能够正确地将每一个字符接收下来，某些通信中还需要双方约定传输速率。
同步通信：共用一根时钟信号；
异步通信：没有时钟信号，通过在数据信号中加入起始位和检验位等同步信号；
1.4通信速率
通信速率：指数据在信道中的传输速度；它分为两种：传信率和传码率。
传信率：每秒钟传输的信息量，即每秒钟传输的二进制位数，单位为 bit/s（即比特每秒）， 因而又称为比特率。
传码率：每秒钟传输的码元个数，单位为 Baud（即波特每秒），因而又称为波特率。
采用二进制的时候，波特率和比特率数值上相等。我们需要知道的是，在通信时，需要保证通信双方的传输速率相同，这样才能保证数据传输过程中不会出错。
1.5常见的串行通信接口
| 接口名称 | 通信线 | 通信方式 | 数据传输方向 |
| UART | TXD RXD GND | 异步 | 全双工 |
| I-wire | DQ | 异步 | 半双工 |
| IIC | SCL SDA | 同步 | 半双工 |
| SPI | SCK MISO MOSI CS | 同步 | 全双工 |
注：不是有两根数据线就是全双工，而是有输入、输出信道才为全双工；
二、串行通信接口(RS-232)
什么是串口呢？
串口是指串行通信接口：指按位发送和接收的接口；也称为串口通信。像UART、IIC、SPI都属于串口通信，但是三者存在一定的差距也就是所谓的协议。
什么是串行通信接口标准呢？
是指用来进行串行通信的物理接口标准，它只表征了电气特性，而不涉及到接插件、电缆、协议等。
对于RS-232接口标准来说：
数据线：
TXD——串口数据输出；
RXD——串口数据输入；
电平：
逻辑1：-15到-3V；
逻辑0：+3到+15V
显然，从电平标准来说，RS-232的电平不能同coms/TTL电平（32单片机、51单片机）进行交换信息；因此在使用该接口标准的时候需要进行转化电路。
电路中添加一个 USB 转串口芯片，就可以实现 USB 通信协议和标准 UART 串行通信协议的转换，而我们开发板上的 USB 转串口芯片是 CH340C 这个芯片
串口通信协议：
串口通信的数据包由发送设备的 TXD 接口传输到接收设备的 RXD 接口。在串口通信的协 议层中，规定了数据包的内容，它由起始位、主体数据、校验位以及停止位组成，通讯双方的数据包格式要约定一致才能正常收发数据。
1、启动位：必须占用1个位长，保持逻辑0电平；
2、有效数据位：地位在前，高位在后，可为5.6.7.8.9位长；
3、检验位：可选占1个位长也可以没有；
4、停止位：必须有，可选占0.5、1、1.5、2个位长；
三、STM32的USART
3.1 USART简介
stm32的usart是开发板实现串口通信的外设；
USART:通用同步异步收发器；
UART：通用异步收发器；
USART/UART都可以与外部设备进行全双工异步通信，对于USAR可以同步也可以异步，我们常用的是异步。
特点：
1、全双工异步通信；2、单线半双工通信；3、单独的发送器与接收器使能位；4、可配置使用DMA的多缓冲器通信；4、多个带标志的中断源。
STM32F1 有 3 个 USART 和 2 个 UART，其中 USART1 的时钟源来于 APB2 时钟，其最大频率为 72MHz，其他 4 个串口的时钟源可以来于 APB1 时钟，其最大频率为 36MHz。
3.2 USART框图
在上述框图中，我们主要认识以下部分：
1、信号引脚
TX:发送数据引脚；
RX:接收数据引脚；
SCLK：发送器时钟输出，适用于同步传输；
SW_RX：数据接收引脚，属于内部引脚，用于智能卡模式；
2、数据寄存器（DR）
在数据寄存器中包含了已发送或者接收的数据，它由两个寄存器组成，一个专门发送用的TDR一个专门接收用的RDR。
当进行数据发送操作时，往 USART_DR 中写入数据会自动存储在 TDR 内；当进行读取操作时，向 USART_DR 读取数据会自动提去 RDR 数据。
3、控制器
USART 有专门控制发送的发送器，控制接收的接收器。
4、时钟与波特率
主要功能就是为 USART 提供时钟以及配置波特率。
波特率通过以下公式得出：
fck 是给串口的时钟（USART2\3\3\4\5 的时钟源为 PCLK1，USART1 的时钟源为 PCLK2）， USARTDIV 是一个无符号的定点数，存放在波特率寄存器（USART_BRR）的低 16 位，DIV_Man-tissa[11:0]存放的是 USARTDIV 的整数部分，DIV_Fractionp[3:0]存放的是 USARTDIV 的小数部分。
3.3 USART寄存器
3.3.1控制寄存器1（USART_CR1）
控制寄存器1共有16位，其中主要的几位为：
位13
作用：使能USART,1：USART模块使能，0：USART分频器和输出被禁止；
位12
作用：定义数据字长，1：一个起始位，9个数据位，n个停止位，0：一个起始位，8个数据位，n个停止位；
位10
作用：检验控制位，对于发送来说就是校验位的产生；对于接收来说就是校验位的检测，1：使能校验控制，0：禁止校验控制。
位5
作用：接收缓冲区非空中断使能。1：当USART_SR中的ORE或者RXNE为’1’时，产生USART中，0：禁止产生中断。
位3
作用：使能发送，1：使能发送，0：禁止发送。
位2：
作用：使能接收，1：使能接收，0：禁止接收。
其他位暂时不使用，需要使用时在进行学习。
3.3.2控制寄存器2（USART_CR2）
控制寄存器2共有15位，其中主要学习的有
位13:12 这2位用来设置停止位的位数
00：1个停止位； 01：0.5个停止位； 10：2个停止位； 11：1.5个停止位。
3.3.3控制寄存器3（USART_CR3）
控制寄存器3共有11位，其中主要学习的有
位3
半双工选择:0：不选择半双工模式； 1：选择半双工模式。
3.3.4数据寄存器(USART_0DR)
数据寄存器共有9位。
包含了发送或接收的数据。由于它是由两个寄存器组成的，一个给发送用(TDR)，一个给接收用(RDR)，该寄存器兼具读和写的功能。
3.3.5状态寄存器（USART_SR）
状态寄存器共有10位，其中主要学习的是：
位6
发送完成标志位： 当包含有数据的一帧发送完成后，并且TXE=1时，由硬件将该位置’1’。如果USART_CR1中的 TCIE为’1’(位6)，则产生中断。0：发送还未完成； 1：发送完成。
位5
读数据寄存器非空：当RDR移位寄存器中的数据被转移到USART_DR寄存器中，该位被硬件置位。如果 USART_CR1寄存器中的RXNEIE为1，则产生中断。0：数据没有收到； 1：收到数据，可以读出。
3.3.6波特率寄存器（USART_BRR）
3.4 USART 的配置步骤
上面我们介绍了USART的相关寄存器的相关位，下面我们学习一下，对于STM32F103 的 USART 的配置步骤：
1. 通过在 USART_CR1 寄存器上置位 UE 位（位13）来激活 USART。
2、在USART_CR1 的 M 位（位12）来定义字长。
3、在 USART_CR2（位13、12） 中编程停止位的位数.
4、利用 USART_BRR 寄存器选择要求的波特率。
5、设置 USART_CR1 中的 TE 位，发送一个空闲帧作为第一次数据发送（使能发送）。
6、把要发送的数据写进 USART_DR 寄存器(此动作清除 TXE 位)。
7、在 USART_DR 寄存器中写入最后一个数据字后，要等待 TC=1，它表示最后一个数据帧的传输结束。
此外，串口作为单片机的一个外设，在使用时还需要设置好时钟使能与IO口模式；
3.5 IO引脚复用功能
在芯片上有许多的外设，所需要的引脚也很多，但引脚的资源是有限的，为了解决这个问题，采用的方法是引脚复用。除了将引脚作为IO口之外，还同其他外设的引脚关联起开，称为引脚的复用功能。
作为引脚的复用功能，一个引脚可能拥有多个复用功能，但是一次只允许一个外设的复用功能，以确保共用同一个 IO 引脚的外设之间不会产生冲突。
AFIO 寄存器的作用就是复用功能 I/O 和调试配置的，STM32F103ZET6 共有 6 个 AFIO 的 寄存器，事件控制寄存器 AFIO_EVCR、复用重映射和调试 I/O 配置寄存器 AFIO_MAPR、外部中断配置寄存器 AFIO_EXTICR1、外部中断配置寄存器 AFIO_EXTICR2、外部中断配置寄存器 AFIO_EXTICR3 和外部中断配置寄存器 AFIO_EXTICR4。
此处我们主要解释：复用重映射和调试 I/O 配置寄存器 AFIO_MAPR 寄存器。
如上所示，如果对某些位进行写入实现引脚的重新映射，此时，复用功能便会不再映射到它们的原始分配上去。
例如：位2，如果没用复用，没有重映射，那默认PA9和PA10是作为串口1的引脚使用。
如果PA9和PA10被用到其他地方，此时还需要用到串口1，那么就需要进行重映射，将位2置1，把串口1的引脚重新映射到PB6和PB7上。
如果是这样，串口初始化的时候就有一些变化，需要初始化 AFIO 时钟，和对 AFIO_MAPR 的第 2 位进行置 1 操作。
四、USART的HAL库配置
4.1 USART异步通信配置步骤
HAL库中关于串口的驱动程序比较多，我们首先介绍我们本节所用到了，其配置步骤如下：
1、配置串口工作参数：HAL_UART_Init();
2、串口底层初始化：HAL_UART_MSPInit();
3、开启串口异步接收中断：HAL_UART_Receive_IT();
4、设优先级，使能中断：HAL_NVIC_SetPriority();HAL_NVIC_Enable RQ();
5、编写中断服务函数；
6、串口数据发送与接收：HAL_UART_Transmit();HAL_UART_Receive();
下面将对这些函数逐一进行介绍：
4.2配置串口工作参数：HAL_UART_Init()
使用一个外设，最先做的进行初始化，因此对于串口的初始化，采用HAL_UART_Init()函数；
HAL_StatusTypeDef HAL_UART_Init(UART_HandleTypeDef *huart);
在这个函数中，首先，函数的参数是个句柄 UART_HandleTypeDef *huart，什么是句柄呢？简单来看也就是一个结构体，下面是库函数对这个句柄的介绍：
1、Instance：指向 UART 寄存器基地址。这个同所有外设一样，库函数已经定义好了，只需要直接引用即可；
2、Init：UART 初始化结构体，用于配置通讯参数，如波特率、数据位数、停止位等等。这个又是一个结构体，我们来看看这个结构体是如何定义的呢？
这个结构体主要包括对于串口：波特率、数据帧字长、停止位设置、奇偶校验控制选择、UART模式、硬件流控制选择以及过采样选择。
3、pTxBuffPtr，TxXferSize，TxXferCount：分别是指向发送数据缓冲区的指针，发送数据的大 小，发送数据的个数。
4、pRxBuffPtr，RxXferSize，RxXferCount：分别是指向接收数据缓冲区的指针，接受数据的大 小，接收数据的个数。
5、hdmatx，hdmarx：配置串口发送接收数据的 DMA 具体参数。
6、Lock：对资源操作增加操作锁保护功能，可选 HAL_UNLOCKED 或者 HAL_LOCKED 两个 参数。
7、gState，RxState：分别是 UART 的发送状态、工作状态的结构体和 UART 接受状态的结构 体。
8、ErrorCode：串口错误操作信息。主要用于存放串口操作的错误信息。
其次，是这个函数的返回值。HAL_StatusTypeDef返回值类型为枚举型，
有 4 个，分别是 HAL_OK 表示成功，HAL_ERROR 表 示错误，HAL_BUSY 表示忙碌，HAL_TIMEOUT 超时。
在这个函数中，我们只需对前两个参数进行修改：即Instance与Init，其余的6个参数不需要修改，了解即可。
4.3串口底层初始化：HAL_UART_MSPInit()
上述初始化，只能进行一部分初始化，还有一部分初始化需要在MSPInit()中进行设置。HAL_UART_MspInit 是 HAL 库定义的弱定义函数，这里我们做重定义以实现我们的初始化需求。HAL_UART_MspInit 函数在 HAL_UART_Init 函数中会被调用。那么对于HAK_UART__MspInit函数，我们都要干什么事呢？
1、判断哪个串口；2、使能时钟；3、IO模式选择；4、中断配置；
1、判断串口。我们在第一步初始化时。是对所有的串口进行初始化，后面进入MSP函数后，第一要判断的就是对其具体的串口进行判断，huart->Instance == USART1，如果是串口 1，进行串口 1 MSP 初始化。
2、使能串口以及 PA9 和 PA10 的时钟，PA9 和 PA10 需要用做复用功能，复用功能模 式有两个选择：GPIO_MODE_AF_PP 推挽式复用和 GPIO_MODE_AF_OD 开漏式复用，我们选择的是推挽式复用。
3、由于我们要使用中断，所以需要使能中断，以及设置中断优先级。这个在上一篇博客中断中说过，采用HAL_NVIC_EnableIRQ 函数与HAL_NVIC_SetPriority 函数。
4.4 HAL_UART_Receive_IT 函数
HAL_UART_Receive_IT 函数是开启串口接收中断函数，其声明如下：
HAL_StatusTypeDef HAL_UART_Receive_IT(UART_HandleTypeDef *huart, uint8_t *pData, uint16_t Size);
其作用：以开启中断的方式接收指定字节。数据接收在中断处理函数里面实现。
形参1：为句柄结构体；形参2：为接收数据地址；形参3：为接收数据的大小；
4.5 HAL_UART_Transmit函数
HAL_UART_Transmit函数为发送字节函数，其声明如下：
HAL_StatusTypeDef HAL_UART_Transmit(UART_HandleTypeDef *huart, uint8_t *pData, uint16_t Size, uint32_t Timeout)
其作用：向外发送指定字节；
形参1：句柄；形参2：发送数据地址；形参3：发送数据大小；形参4：
4.6 中断服务函数
在中断服务函数里主要就调用 HAL 库的串口中断公共处理函数 HAL_UART_IRQHandler()， 然后该函数内部再调用相关的中断回调函数，我们这里用到的是串口接收完成中断回调函数 HAL_UART_RxCpltCallback。
五、实验源码
5.1 实验说明
本节我们要实现的实验是，利用串口助手与单片机，建立电脑同单片机的通信。通过串口助手发送数据至的单片机，单片机接收后再发送回串口助手进行显示；
5.2 源码
main.c文件
#include "./SYSTEM/sys/sys.h"
#include "./SYSTEM/usart/usart.h"
#include "./SYSTEM/delay/delay.h"
#include "./BSP/LED/led.h"
uint8_t len;
int main(void)
{
HAL_Init(); /* 初始化HAL库 */
sys_stm32_clock_init(RCC_PLL_MUL9); /* 设置时钟, 72Mhz */
delay_init(72); /* 延时初始化 */
usart_init(115200); /* LED初始化 */
led_init();
while(1)
{
if( g_usart_rx_sta & 0x8000 )
{
len = g_usart_rx_sta & 0x3fff;
printf("\r\n您发送的消息为:\r\n");
HAL_UART_Transmit(&g_uart1_handle,(uint8_t*)g_usart_rx_buf,len, 1000);
while(__HAL_UART_GET_FLAG(&g_uart1_handle,UART_FLAG_TC)!=1);
printf("\r\n");
g_usart_rx_sta =0;
}
}
}
led.c
#include "./BSP/LED/led.h"
void led_init(void)
{
__HAL_RCC_GPIOE_CLK_ENABLE();//时钟使能；
GPIO_InitTypeDef gpio_init_struct;//定义结构体变量；
gpio_init_struct.Mode= GPIO_MODE_OUTPUT_PP; //
gpio_init_struct.Pin= GPIO_PIN_5; //定义引脚；
gpio_init_struct.Pull= GPIO_PULLUP; //定义上下拉模式；
gpio_init_struct.Speed=GPIO_SPEED_FREQ_HIGH; //定义速度；
HAL_GPIO_Init(GPIOE, &gpio_init_struct); //初始化引脚；
HAL_GPIO_WritePin(GPIOE, GPIO_PIN_5, GPIO_PIN_RESET); //开启引脚
}uart.c
#include "./SYSTEM/sys/sys.h"
#include "./SYSTEM/usart/usart.h"
#if USART_EN_RX /*如果使能了接收*/
/* 接收缓冲, 最大USART_REC_LEN个字节. */
uint8_t g_usart_rx_buf[USART_REC_LEN];
/* 接收状态
* bit15， 接收完成标志
* bit14， 接收到0x0d
* bit13~0， 接收到的有效字节数目
*/
uint16_t g_usart_rx_sta = 0; /* 串口接收数据标志 */
uint8_t g_rx_buffer[RXBUFFERSIZE]; /* HAL库使用的串口接收缓冲 */
UART_HandleTypeDef g_uart1_handle; /* UART句柄 */
/**
* @brief 串口X初始化函数
* @param baudrate: 波特率, 根据自己需要设置波特率值
* @note 注意: 必须设置正确的时钟源, 否则串口波特率就会设置异常.
* 这里的USART的时钟源在sys_stm32_clock_init()函数中已经设置过了.
* @retval 无
*/
void usart_init(uint32_t baudrate)
{
/*UART 初始化设置*/
g_uart1_handle.Instance = USART1; /* USART_UX */
g_uart1_handle.Init.BaudRate = baudrate; /* 波特率 */
g_uart1_handle.Init.WordLength = UART_WORDLENGTH_8B; /* 字长为8位数据格式 */
g_uart1_handle.Init.StopBits = UART_STOPBITS_1; /* 一个停止位 */
g_uart1_handle.Init.Parity = UART_PARITY_NONE; /* 无奇偶校验位 */
g_uart1_handle.Init.HwFlowCtl = UART_HWCONTROL_NONE; /* 无硬件流控 */
g_uart1_handle.Init.Mode = UART_MODE_TX_RX; /* 收发模式 */
HAL_UART_Init(&g_uart1_handle); /* HAL_UART_Init()会使能UART1 */
/* 该函数会开启接收中断：标志位UART_IT_RXNE，并且设置接收缓冲以及接收缓冲接收最大数据量 */
HAL_UART_Receive_IT(&g_uart1_handle, (uint8_t *)g_rx_buffer, RXBUFFERSIZE);
}
/**
* @brief UART底层初始化函数
* @param huart: UART句柄类型指针
* @note 此函数会被HAL_UART_Init()调用
* 完成时钟使能，引脚配置，中断配置
* @retval 无
*/
void HAL_UART_MspInit(UART_HandleTypeDef *huart)
{
GPIO_InitTypeDef gpio_init_struct;
if (huart->Instance == USART_UX) /* 如果是串口1，进行串口1 MSP初始化 */
{
__HAL_RCC_GPIOA_CLK_ENABLE(); /* 使能串口TX脚时钟 */
__HAL_RCC_GPIOA_CLK_ENABLE(); /* 使能串口RX脚时钟 */
__HAL_RCC_USART1_CLK_ENABLE(); /* 使能串口时钟 */
gpio_init_struct.Pin = GPIO_PIN_9; /* 串口发送引脚号 */
gpio_init_struct.Mode = GPIO_MODE_AF_PP; /* 复用推挽输出 */
gpio_init_struct.Pull = GPIO_PULLUP; /* 上拉 */
gpio_init_struct.Speed = GPIO_SPEED_FREQ_HIGH; /* IO速度设置为高速 */
HAL_GPIO_Init(GPIOA, &gpio_init_struct);
gpio_init_struct.Pin = GPIO_PIN_10; /* 串口RX脚 模式设置 */
gpio_init_struct.Mode = GPIO_MODE_AF_INPUT;
HAL_GPIO_Init(GPIOA, &gpio_init_struct); /* 串口RX脚 必须设置成输入模式 */
#if USART_EN_RX
HAL_NVIC_EnableIRQ(USART_UX_IRQn); /* 使能USART1中断通道 */
HAL_NVIC_SetPriority(USART_UX_IRQn, 3, 3); /* 组2，最低优先级:抢占优先级3，子优先级3 */
#endif
}
}
/**
* @brief 串口数据接收回调函数
数据处理在这里进行
* @param huart:串口句柄
* @retval 无
*/
void HAL_UART_RxCpltCallback(UART_HandleTypeDef *huart)
{
if (huart->Instance == USART_UX) /* 如果是串口1 */
{
if ((g_usart_rx_sta & 0x8000) == 0) /* 接收未完成 */
{
if (g_usart_rx_sta & 0x4000) /* 接收到了0x0d（即回车键） */
{
if (g_rx_buffer[0] != 0x0a) /* 接收到的不是0x0a（即不是换行键） */
{
g_usart_rx_sta = 0; /* 接收错误,重新开始 */
}
else /* 接收到的是0x0a（即换行键） */
{
g_usart_rx_sta |= 0x8000; /* 接收完成了 */
}
}
else /* 还没收到0X0d（即回车键） */
{
if (g_rx_buffer[0] == 0x0d)
g_usart_rx_sta |= 0x4000;
else
{
g_usart_rx_buf[g_usart_rx_sta & 0X3FFF] = g_rx_buffer[0];
g_usart_rx_sta++;
if (g_usart_rx_sta > (USART_REC_LEN - 1))
{
g_usart_rx_sta = 0; /* 接收数据错误,重新开始接收 */
}
}
}
}
HAL_UART_Receive_IT(&g_uart1_handle, (uint8_t *)g_rx_buffer, RXBUFFERSIZE);
}
}
/**
* @brief 串口1中断服务函数
* @param 无
* @retval 无
*/
void USART_UX_IRQHandler(void)
{
#if SYS_SUPPORT_OS /* 使用OS */
OSIntEnter();
#endif
HAL_UART_IRQHandler(&g_uart1_handle); /* 调用HAL库中断处理公用函数 */
#if SYS_SUPPORT_OS /* 使用OS */
OSIntExit();
#endif
}
#endif
5.3 实验现象
串口实验
总结：本节主要学习了STM32串口的相关知识，包括有：基本的通信方式，串口通信的基本概念，相关寄存器的设置，以及如何利用HAL进行配置，最后还实现了一个简单的实验。大家在学习后，肯定有很多不解与疑惑，慢慢理解，多看几遍！！！
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