STM32 USART串口
時間：2019-07-16 來源：重慶中心，王老師
什么是串口
串口是串行接口 (Serial Interface)的簡稱，它是指數據一位一位地順序傳送，其特點是通信線路簡單，只要一對傳輸線就可以實現雙向通信（可以直接利用電話線作為傳輸線），從而大大降低了成本，特別適用于遠距離通信，但傳送速度較慢。一條信息的各位數據被逐位按順序傳送的通訊方式稱為串行通訊。串行通訊的特點是：數據位的傳送，按位順序進行，最少只需一根傳輸線即可完成；成本低但傳送速度慢。串行通訊的距離可以從幾米到幾千米；根據信息的傳送方向，串行通訊可以進一步分為單工、半雙工和全雙工三種。
STM32的USART簡介
在STM32的參考手冊中，串口被描述成通用同步異步收發器(USART)，它提供了一種靈活的方法與使用工業標準NRZ異步串行數據格式的外部設備之間進行全雙工數據交換。有別與USART，還有一個UART，它在USART基礎上裁剪掉了同步通信功能，只有異步通信。簡單區分同步和異步就是看通信時需不需要對外提供時鐘輸出，我們平時用的串口通信基本都是 UART。
串口通信一般是以幀格式傳輸數據，即一幀一幀傳輸，每幀包含有起始信號、數據信息、停止信息，可能還有校驗信息。USART 滿足外部設備對工業標準 NRZ 異步串行數據格式的要求，并且使用了小數波特率發生器，可以提供多種波特率，使得它的應用更加廣泛。USART 支持同步單向通信和半雙工單線通信；還支持局域互連網絡 LIN、智能卡(SmartCard)協議與 lrDA(紅外線數據協會) SIR ENDEC規范。USART支持使用 DMA，可實現高速數據通信。
硬件連接
USART通過3個引腳與其他設備連接在一起，任何USART雙向通信至少需要2個引腳：接受數據輸入(RX)和發送數據輸出(TX)。
RX: 接受數據串行輸入。通過過采樣技術來區別數據和噪音，從而恢復數據。
TX: 發送數據輸出。當發送器被禁止時，輸出引腳恢復到它的I/O端口配置。當發送器被激活，并且不發送數據時，TX引腳處處于高電平。在單線和智能卡模式里，此I/O口被同時用于數據的發送和接收。
USART功能框圖剖析
1、功能引腳
TX:發送數據輸出引腳。
RX:接收。
SW_RX:數據接收引腳，屬于內部引腳。
nRTS:請求以發送，n表示低電平有效。如果使能 RTS 流控制，當USART接收器準備好接收新數據時就會將nRTS變成低電平；當接收寄存器已滿時，nRTS將被設置為高電平。該引腳只適用于硬件流控制。
nCTS:清除以發送(Clear To Send)，n表示低電平有效。如果使能 CTS流控制，發送器在發送下一幀數據之前會檢測 nCTS 引腳，如果為低電平，表示可以發送數據，如果為高電平則在發送完當前數據幀之后停止發送。該引腳只適用于硬件流控制。
SCLK:發送器時鐘輸出引腳。這個引腳僅適用于同步模式。
以STM32F103RC系列為例，USART1的時鐘來源于APB2總線時鐘，最大頻率為72MHZ，其他4個時鐘來源于APB1總線時鐘，最大頻率36MHZ。UART只有異步傳輸功能，沒有SCLK、nCTS和nRTS功能引腳。
2.數據寄存器
USART說數據寄存器(USART_DR)只有低 9 位有效，并且第 9 位數據是否有效要取決于USART 控制寄存器 1(USART_CR1)的 M 位設置，當 M 位為 0 時表示 8 位數據字長，當 M位為 1 表示 9 位數據字長，我們一般使用 8位數據字長。
USART_DR包含了已發送的數據或者接收到的數據。USART_DR實際是包含了兩個寄存器，一個專門用于發送的可寫 TDR，一個專門用于接收的可讀 RDR。當進行發送操作時，往 USART_DR寫入數據會自動存儲在 TDR內；當進行讀取操作時，向 USART_DR讀取數據會自動提取 RDR 數據。
TDR和RDR都是介于系統總線和移位寄存器之間。串行通信是一個位一個位傳輸的，發送時把 TDR 內容轉移到發送移位寄存器，然后把移位寄存器數據每一位發送出去，接時把接收到的每一位順序保存在接收移位寄存器內然后才轉移到 RDR。
USART 支持 DMA 傳輸，可以實現高速數據傳輸。
3.控制器
USART有專門控制發送的發送器、控制接收的接收器，還有喚醒單元、中斷控制等。
使用USART之前需要向USART_CR1寄存器的UE位置1使能USART，UE位用于開啟供給串口的時鐘。發送或者接收數據字長可選8或9位，由USARTT_CR1的M位控制。
1）發送器
當USART_CR1寄存器的發送使能位TE置1時，啟動數據發送，發送移位寄存器的數據會在TX引腳輸出，低位在前，高位在后。如果是同步模式SCLK也輸出時鐘信號。
一個字符幀發送需要3部分：起始位、數據幀、停止位。起始位是一個位周期的低電平，位周期就是每一位占用的時間 ；數據幀就是我們要發送的8或9位數據，數據是最低位開始傳輸的；停止位是一定時間周期的高電平。
停止位的時間長短可以通過USART控制寄存器2（USART_CR2）的STOP[1:0]位控制，可選0.5個、1個、1.5個、2個停止位。默認使用1個停止位。2個停止位適用于正常USART模式、單線模式和調制解調器模式。0.5和1.5個停止位用于智能卡模式。
當發使能位TE置1之后，發送器開始會發送一個空閑幀（一個數據幀長度的高電平），接下來就可以往USART_DR寄存器寫入要發送的數據。在寫入最后一個數據后，需等待USART狀態寄存器（USART_SR）的TC位為1，表示數據傳輸完成。USART_CR1寄存器的TCIE位置1，則產生中斷。
發送數據時，幾個重要的標志位如下：
TE:發送使能。
TXE:發送寄存器為空，發送單個字節時使用。
TC:發送完成，發送多個字節數據時候使用。
TXIE:發送完成中斷使能。
2）接收器
將CR1寄存器的RE位置1，使能USART接收，使得接收器在RX線開始搜索起始位。在確定起始位后，就根據RX線電平狀態把數據存放在接收移位寄存器內。接收完成后就把接收移位寄存器的數據移到PDR內，并把USART_SR寄存器的RXNE位置。如果USART_CR2寄存器的RXNEIE置1可以產生中斷。
接收數據時，幾個重要的標志位如下：
RE: 接收使能。
RXNE:讀數據寄存器非空。
RXNEIE:發送完成中斷使能。
4.小數波特率生成
USART 的發送器和接收器使用相同的波特率。計算公式如下：
其中，f PLCK 為 USART 時鐘， USARTp 是一個存放在波特率寄存器(USART_BRR)的一個無符號定點數。其中 p_Mantissa[11:0]位定義 USARTp 的整數部分，p_Fraction[3:0]位定義 USARTp 的小數部分。
例如：p_Mantissa=24(0x18)，p_Fraction=10(0x0A)，此時 USART_BRR 值為0x18A；那么USARTp的小數位10/16=0.625；整數位24，最終USARTp的值為24.625。
如果知道 USARTp 值為 27.68，那么 p_Fraction=16*0.68=10.88，最接近的正整數為 11，所以 p_Fraction[3:0]為 0xB；p_Mantissa=整數(27.68)=27，即為 0x1B。
波特率的常用值有 2400、9600、19200、115200。下面以實例講解如何設定寄存器值得到波特率的值。
我們知道 USART1 使用 APB2 總線時鐘，最高可達 72MHz，其他 USART 的最高頻率為 36MHz。我們選取 USART1 作為實例講解，即 f PLCK =72MHz。為得到 115200bps 的波特率，此時：
115200 =72000000/(16 ∗ USARTp)
解 得 USARTp=39.0625，可 算 得 p_Fraction=0.0625*16=1=0x01 ，p_Mantissa=39=0x27，即應該設置 USART_BRR 的值為 0x171。
5.校驗控制
STM32F103系列控制器USART支持奇偶校驗。使用校驗位時，串口傳輸的長度將在8位數據幀上加上1位的校驗位，總共9位，此時USART_CR1寄存器的M位需要設置位1，即9數據位。將USART_CR1寄存器的PCE位置1就可以啟動奇偶校驗控制，奇偶校驗由硬件自動完成。啟動了奇偶校驗控制之后，發送數據幀時會自動添加校驗位，接收數據自動驗證校驗位。接收數據時如果出現奇偶校驗位驗證失敗，會將USART_SR寄存器的PE置1，并可以產生奇偶校驗中斷。
使用了奇偶校驗控制位后，每個字符幀的格式變成了：起始位+數據幀+校驗位+停止位。
根據M位定義的幀長度，可能的USART幀格式列在下表中。
6.中斷請求
