2.25 USART串口外设

USART简介

USART（Universal Synchronous/Asynchronous Receiver/Transmitter），直译通用同步/异步收发器。USART中的S就是同步的意思。另外我们还会经常遇到串口叫UART，这里少了个S，就是异步收发器。一般串口我们很少使用同步功能。所以USART和UART使用起来也没什么区别。其实这个STM32的USART模式只是多了个时钟输出而已，他只支持时钟输出，不支持时钟输入，所以这个同步模式更多是为了兼容别的协议或者特殊用途而设计的，并不支持两个USART之间进行同步通信。所以我们学习串口，主要还是异步通信。

USART是STM32内部集成的硬件外设，可根据数据寄存器的一个字节数据自动生成数据帧时序，从TX引脚发送出去，也可自动接收RX引脚的数据帧时序，拼接为一个字节数据，存放在数据寄存器里。USART外设，就是串口通信的硬件支持电路，USART大体可以分为发送和接收两部分，发送部分就是将数据寄存器的一个字节数据，自动转化为协议规定的波形，从TX引脚发送出去；接收部分就是自动接收RX引脚的波形，按照协议规定，解码为一个字节数据，存放在数据寄存器里。这就是USART电路的功能。

自带波特率发生器，最高达4.5Mbits/s，这个波特率发生器，就是用来配置波特率的，他其实就是一个分频器，比如我们APB2总线给个72MHz的频率，然后波特率发生器进行一个分频，得到我们想要的波特率时钟，最后在这个时钟下，进行收发，就是我们指定的通信波特率。最常用的波特率是9600或者115200。

可配置数据位长度（8/9）、停止位长度（0.5/1/1.5/2），这些就是STM32 USART支持配置的参数了，数据位长度就是带不带校验位，不带就是8位，带就是9位，停止位就是看你想要帧之间的间隔有多长，最常用的就是1位停止位，其他的很少用。

可选校验位（无校验/奇校验/偶校验），最常用的是无校验，毕竟有校验也没啥用……

支持同步模式、硬件流控制、DMA、智能卡、IrDA、LIN。

同步模式：就是多了个时钟CLK的输出。

硬件流控制：比如A设备有个TX向B设备的RX发送数据，A设备一直在发，发的太快了，B处理不过来，如果没有硬件流控制，那么B就只能抛弃新数据或者覆盖原数据了，如果有硬件流控制，在硬件电路上，会多出一根线，如果B没准备好接收，就置高电平，如果准备好了，就置低电平，A接收到了B反馈的准备信号，就只会在B准备好的时候，才发数据。可以防止因为B处理慢而导致数据丢失的问题。硬件流控制STM32也是有的，不过我们一般不用。

DMA：是这个串口支持DMA进行数据转运，如果有大量的数据进行收发，可以使用DMA转运数据，减轻CPU的负担。

智能卡、IrDA、LIN：这些是其他的一些协议，因为这些协议和串口非常像，所以STM32就对USART加了一些小改动，就能兼容这多么协议了，不过一般我们不用。

STM32F103C8T6 USART资源： USART1、 USART2、 USART3 ，总共3个USART外设，其中USART1是在APB2总线上的设备，剩下两个都是APB1总线的设备。这个开启时钟的时候注意一下。

USART框图

这个图就是把USART外设的各个寄存器和寄存器每一位控制的地方都画出来了。

先看左上角引脚部分，这里TX和RX就是发送和接收了。下面的SW_RX、IRDA_OUT/IN这些是智能卡和IrDA通信的引脚，我们不用这些协议，所以就不用管。

这部分是串口的数据寄存器了，发送或者接收的字节数据就存在这里。上面是有两个数据寄存器，一个是发送数据寄存器TDR，另一个接收数据寄存器RDR。这两个寄存器占用同一个地址，即在程序上，只表现为一个寄存器，就是数据寄存器DR，但实际硬件中，是分成了两个寄存器，一个用于发送TDR，一个用于接收RDR。TDR是只写的，RDR是只读的。下面两个是移位寄存器，一个用于发送，一个用于接收，发送移位寄存器的作用就是，把一个字节的数据一位一位的移出去，正好对应串口协议的波形的数据位。

，这两个寄存器是怎么工作的呢？

比如你在某时刻给TDR写入了0x55这个数据，在寄存器里就是二进制存储，0101 0101，那么此时，硬件检测到你写入数据了，发送移位寄存器就会检查当前是不是有数据正在移位，如果没有，0101 0101就会立刻全部移动到发送移位寄存器，准备发送。当数据从TDR移动到发送移位寄存器时，会置一个标志位，叫TXE（TX Empty），发送寄存器空的意思，我们检查这个标志位，如果置1了，那么代表数据全部移位完成了，就可以在TDR继续写入下一个数据了，注意一下，当TXE位置1的时候，数据其实还没有发送出去，只要数据从TDR转移到发送移位寄存器了，TXE就会置1，我们就可以写入新的数据了。

然后，发送移位寄存器就会在下面的发生器控制的驱动下，向右一位一位的，把数据输出到TX引脚，这里是向右移位，所以正好和串口协议规定的低位先行是一致的。当数据移位完成后，新的数据就会再次自动的从TDR转移到发送移位寄存器里来。如果当前移位寄存器移位还没有完成，TDR的数据就会进行等待，一旦移位完成后，就会立刻转移过来。有了TDR和移位寄存器的双重缓存，可以保证连续发送数据的时候，数据帧之间不会有空闲，提高了工作效率。

简单来说，就是数据一旦从TDR转移到移位寄存器，管你有没有完成，直接把新的数据塞进TDR里，一旦移完了，新的数据就会立刻跟上，这样做效率比较高。

接收端这里也是类似的，数据从RX引脚通向接收移位寄存器，在接收器控制的驱动下，一位一位的读取RX电平，然后先放在最高位，然后向右移，移位8次之后，就能接收一个字节了，同样，因为串口协议是低位先行，所以接收移位寄存器是从高位往低位这个方向移动的，当一个字节移位完成之后，这一个字节的数据就会整体的一下子转移到RDR里来，在转移的过程中，也会置一个标志位，叫RXNE，接受数据寄存器非空的意思，当我们检测到RXNE置1之后，就可以把数据读走了，同样这里也是两个寄存器进行缓存，当数据从移位寄存器转移到RDR时，移位寄存器就可以直接移位接收下一帧的数据了。

这些就是USART外设的主要功能。

接着我们看一下下面的控制部分：

发生器控制，他就是用来控制发送移位寄存器工作的；接收器控制，就是用来控制接收移位寄存器工作的。

左边还有个硬件流控制，简称流控，可以防止因为设备处理慢而导致数据丢失的问题。nRTS是请求发送，是输出脚，告诉别人我当前能不能接收；nCTS是清楚发送，是输入脚，也就是用于接收别人nRTS的信号的，n的意思就是低电平有效的意思。这个怎么玩？首先得找另一个支持流控的串口，其他设备的TX接在本机的RX，然后我的RTS要输出一个能不能接收的反馈信号，接到对方的CTS上。我能接收的时候，RTS就置0，请求对方发送，对方的CTS接收到之后，就可以一直发，当我处理不过来时，比如接受数据寄存器我一直没有读，又有新的数据过来，就代表现在我没有及时处理，那么RTS就会置1，对方CTS接收到之后，就会暂停发送。

，右边这个模块，这部分电路用于产生同步的时钟信号，它是配合发送移位寄存器输出的，发送移位寄存器每移位一次，同步时钟电平就跳变一个周期，时钟告诉对方，我移出去了一位。当然这个时钟只支持输出，不支持输入。所以两个USART之间不能实现同步的串口通信。那这个时钟信号有什么用呢？一是兼容别的协议，比如加上时钟口之后，就和SPI协议很像，就可以兼容SPI。二是可以做自适应波特率，比如接收设备不确定发送设备给的什么波特率，那就可以测量一下这个时钟周期，再计算得到波特率。

，唤醒单元的作用是实现串口挂载多设备，我们之前说，串口一般是点对点的通信，点对点，只支持两个设备互相通信，想发数据直接发就行，而多设备，是在一条线上有很多设备，每个设备都会被分配一个地址，想对某个设备进行通信，就要先进行寻址，确定通信的对象，再进行数据的收发。 唤醒单元就可以实现多设备的功能，唤醒单元可以给串口分配一个地址，当你发送指定地址时，此设备唤醒开始工作，当你发送别的设备地址时，别的设备就唤醒工作，本设备没收到地址，就会保持沉默。这样就可以实现多设备的串口通信了。这部分我们一般不用，大家了解一下就行。

中断输出控制，中断申请位，就是状态寄存器这里的各种标志位，状态寄存器中有两个标志位比较重要，一个是TXE发送寄存器空，另一个是RXNE接受寄存器非空。这两个是判断发送状态和接受状态的必要标志位。

波特率发生器部分，之前也说过，波特率发生器其实就是分频器，APB时钟进行分频，得到发送和接收移位的时钟。如果TE位为1，就是发送器使能，发送波特率就有效。如果RE位为1，就是接收器使能，接收部分的波特率就有效。RE和TE是USART控制寄存器中的特定位。这些位用于控制串行端口的接收和发送功能。

到这里，USART串口的主体部分就讲完了。

USART简化流程图

我们可以看到，这里有4个寄存器，但是在软件层面上，只有一个DR寄存器可供我们读写，就是4合1，写入DR，数据就走上面的发送，读取DR，就从下面那一路进行接收。

细节相关问题

数据帧

这个图是在程序中配置8位字长和9位字长波形的对比：

我们可以看到，每个数据位中间，都有一个时钟上升沿，时钟的频率和数据速率也是一样的，接收端可以在时钟上升沿进行采样，这样就可以精准定位每一位数据。

起始位检测

根据我们前面的介绍，可以想到串口的输出TX应该是比输入RX简单很多，输出你就定时翻转TX引脚的高低电平就行了，但是输入就复杂一些，你不仅要保证，输入的采样频率和波特率一致，还要保证每次输入采集的位置，要正好处于每一位的正中间，只有在每一位的最中间采样，读出来的高低电平才是最可靠的，如果采样点过于靠前或者靠后，那有可能高低电平还正在翻转，电平还不稳定，或者少有误差，数据就采样错了。

另外，输入最好还要对噪声有一定的判断能力，如果是噪声，最好能置一个标志位提醒我一下，这些就是输入数据所面临的问题了。

上图就是STM32来设计的输入电路中的起始位侦测，当输入电路侦测到一个数据帧的起始位后，就会以波特率的频率，连续采样一帧的数据，同时，从起始位开始，采样位置就要对其到位的正中间。只要第一位对齐了，后面就肯定都是对齐的，那为了实现这些功能，首先输入的这部分电路对采样时钟进行了细分，他会以波特率的16倍频率进行采样，也就是在1位的时间里，可以进行16次采样，它的策略是，最开始，空闲状态高电平，那采样就一直是1，在某个位置突然采到了0，在这两次采样之间，出现了下降沿，如果没有任何噪声，那之后就应该是起始位了。在起始位，会连续16次采样，没有噪声的话，这16次采样肯定都是0，但是实际电路会存在一些噪声，所以这里即使出现下降沿了，后面也要再采样几次，以防万一，根据手册说所，会在第3、5、7次进行一批采样，在第8、9、10次进行第二批采样，且这批采样都要求每3位至少有2个0。同时，第8、9、10次采样的位置，正好是起始位的正中间，之后接收数据位时，都在第8、9、10次进行采样，这样就能保证采样位置在位的正中间了。

波特率发生器

波特率发生器就是分频器。

发送器和接收器的波特率由波特率寄存器BRR里的DIV确定。上面的图就是BRR寄存器，里面的分频系数就是DIV。

DIV分为整数部分和小数部分，可以实现更细腻的分频。

计算公式：波特率 = fPCLK2/1 / (16 * DIV) 。 （因为上面说了，是16倍的波特率进行采样的数据）