20221213-UART串口通信介绍

串口通信 UART 介绍

通用异步收发传输器 ，通常称作UART ，是一种异步收发传输器

首先先来介绍一下同步和异步通信

在常见通信总线协议中，I2C SPI 属于同步通信而UART 属于异步通信

在UART 通信中，数据起始位和停止位是必不可少的

硬件层

常用RS-232标准，这里不详细解释，主要是对应设备的Tx 线和Rx 线要对应正确

协议层

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，通信双方的数据包格式要约定一致才能正常收发数据

波特率 异步通信中由于没有时钟信号，所以2个通信设备需约定好波特率，常见的有4800 9600 15200 等

通信的起始和停止信号，串口通信的一个数据包从起始信号开始，知道停止信号结束，数据包的起始信号由一个逻辑0 的数据位表示，而数据包的停止信号可由0.5 1 1.5 2 个逻辑1 的数据位表示，只要双方约定一致即可

有效数据，在数据包的起始位置之后紧接着的就是要传输的主体数据内容，也称为有效数据，有效数据的长度常被约定为8位或9位长

数据校验 可以在传输过程中加上校验位来解决这个问题，校验方法有奇校验 偶校验 0校验 1校验 以及无校验

奇校验要求有效数据和校验位中“1”的个数为奇数，比如一个 8 位长的有效数据为：01101001，此时总共有 4 个“1”，为达到奇校验效果，校验位为“1”，最后传输的数据将是 8 位的有效数据加上 1 位的校验位总共 9 位。偶校验与奇校验要求刚好相反，要求帧数据和校验位中“1”的个数为偶数，比如数据帧：11001010，此时数据帧“1”的个数为 4 个，所以偶校验位为“0”。0 校验是不管有效数据中的内容是什么，校验位总为“0”，1 校验是校验位总为“1”。

UART 功能框图剖析

这张图是当年上学时使用system C 对uart 建模的模块图，对于接口部分，重要的即为Tx Rx 数据输出，接受接口，clk 提供波特率生成模块的初始时钟信号，

有关控制器部分，在这里使用逻辑电路来实现，具体控制输出/接收使能，设备使能等

在目前的微控制器上，数字电路控制部分已被封装，现在只需要操作对应寄存器的对应位即可实现对UART 的控制
下图是uart 框图

波特率生成模块

USART 的发送器和接收器使用相同的波特率，有以下的计算公式

其中，fck为 USART 时钟， USARTDIV 是一个存放在波特率寄存器(USART_BRR)的一个无符号定点数。其中 DIV_Mantissa[11:0]位定义 USARTDIV 的整数部分，DIV_Fraction[3:0]位定义 USARTDIV 的小数部分。

例如：DIV_Mantissa=24(0x18)，DIV_Fraction=10(0x0A)，此时 USART_BRR 值为0x18A；那么USARTDIV的小数位10/16=0.625；整数位24，最终USARTDIV的值为24.625。

波特率的常用值有 2400、9600、19200、115200。下面以实例讲解如何设定寄存器值得到波特率的值。我们知道 USART1 使用APB2总线时钟，最高可达72MHz，其他USART的最高频率为36MHz。我们选取USART1作为实例讲解，即fck=72MHz。为得到115200bps的波特率，此时：115200=72000000/(16∗USARTDIV)，解得USARTDIV=39.0625，可算得DIV_Fraction=0.0625*16=1=0x01，DIV_Mantissa=39=0x27，即应该设置USART_BRR的值为0x171。

数据寄存器

UART 数据寄存器 只有低9位有效，并且第9位 数据是否有效要取决于uart 控制寄存器1的M 位设置，当M 位为0 时表示8位数据字长，当M 位为1 表示9位数据字长，我们一般使用8位数据字长

USART_DR包含了已发送的数据或者接收到的数据。USART_DR实际是包含了两个寄存器，一个专门用于发送的可写TDR，一个专门用于接收的可读RDR。当进行发送操作时，往USART_DR写入数据会自动存储在TDR内；当进行读取操作时，向USART_DR读取数据会自动提取RDR数据。

TDR和RDR都是介于系统总线和移位寄存器之间。串行通信是一个位一个位传输的，发送时把TDR内容转移到发送移位寄存器，然后把移位寄存器数据每一位发送出去，接时把接收到的每一位顺序保存在接收移位寄存器内然后才转移到RDR。

UART支持DMA传输，可以实现高速数据传输(不经过CPU),使能UART的DMA功能需要将USART_CR1寄存器DMAT位置1。

控制器

UART 有专门控制发送的发送器，控制接收的接收器，还有唤醒单元，中断控制等，使用uart 之前需要向 usart_CR1 寄存器的ue位置使能UART UE 位用于开启供给串口的时钟

发送器

当USART_CR1寄存器的发送使能位TE置1时，启动数据发送，发送移位寄存器的数据会在TX引脚输出，低位在前，高位在后。

一个字符帧发送需要3部分，起始位 数据帧 停止位，起始位是一个位周期的低电平，位周期就是每一位占用的时间，数据帧就是我们要发送的8 或9 位数据，数据是最低位开始传输的，停止位是一定时间周期的高电平

停止位的时间长短可以通过UART控制寄存器2（USART_CR2）的STOP[1:0]位控制，可选0.5个、1个、1.5个、2个停止位。默认使用1个停止位。2个停止位适用于正常USART模式、单线模式和调制解调器模式。0.5和1.5个停止位用于智能卡模式。

当发使能位TE置1之后，发送器开始会发送一个空闲帧（一个数据帧长度的高电平），接下来就可以往USART_DR寄存器写入要发送的数据。在写入最后一个数据后，需等待UART状态寄存器（USART_SR）的TC位为1，表示数据传输完成。USART_CR1寄存器的TCIE位置1，则产生中断。

发送数据时，几个重要的标志位如下

TE 发送使能
TXE 发送寄存器为空，发送单个字节时使用
TC 发送完成，发送多个字节数据时候使用
TXIE 发送完成中断使能

接收器

将CR1寄存器的RE位置1，使能USART接收，使得接收器在RX线开始搜索起始位。在确定起始位后，就根据RX线电平状态把数据存放在接收移位寄存器内。接收完成后就把接收移位寄存器的数据移到PDR内，并把USART_SR寄存器的RXNE位置。如果USART_CR2寄存器的RXNEIE置1可以产生中断。

接收数据时，几个重要的标志位如下

RE 接收使能
RXNE:读数据寄存器非空。

RXNEIE:发送完成中断使能。

USART_CR1寄存器：
USART_CR2寄存器：
USART_CR3寄存器：

之后会基于STM32继续介绍怎样配置并使用UART，包括串口轮询/中断/DMA方式发送/接收数据。