STM32F103 Uart和Usart（串口通信）
一、串行通信的通信方式
二、STM32的串口通信接口
USART：通用同步异步收发器（Universal Synchronous Asynchronous Receiver and Transmitter）可以灵活地与外部设备进行全双工数据交换。USART 支持使用 DMA，可实现高速数据通信
UART：通用异步收发器（Universal Asynchronous Receiver and Transmitter）。是在 USART 基础上裁剪掉了同步通信功能，只有异步通信。
USART功能框图
功能引脚：
- TX：发送数据输出引脚。
- RX：接收数据输入引脚。
- SW_RX：数据接收引脚，只用于单线和智能卡模式，属于内部引脚，没有具体外部引脚。
- nRTS：请求以发送(Request To Send)，n 表示低电平有效。如果使能 RTS 流控制，当USART 接收器准备好接收新数据时就会将 nRTS 变成低电平；当接收寄存器已满时，nRTS 将被设置为高电平。该引脚只适用于硬件流控制。
- nCTS：清除以发送(Clear To Send)，n 表示低电平有效。如果使能 CTS 流控制，发送器在发送下一帧数据之前会检测 nCTS 引脚，如果为低电平，表示可以发送数据，如果为高电平则在发送完当前数据帧之后停止发送。该引脚只适用于硬件流控制。
- SCLK：发送器时钟输出引脚。这个引脚仅适用于同步模式。
三、STM32F10x系列包含3个USART和2个UART。
- USART1 和时钟来源于 APB2 总线时钟，其最大频率为 72MHz。
- 其他四个的时钟来源于 APB1 总线时钟，其最大频率为 36MHz，UART 只是异步传输功能，所以没有 SCLK、nCTS 和 nRTS 功能引脚。
四、常用串口相关寄存器
1.USART_SR状态寄存器：里面一些相关位可以用来判断是否发送接收完成等。
2.USART_DR数据寄存器：通过读写这个寄存器来发送接收数据
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USART 数据寄存器(USART_DR)只有低 9 位有效，并且第 9 位数据是否有效要取决于USART 控制寄存器 1(USART_CR1)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。
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USART_DR 包含了已发送的数据或者接收到的数,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。
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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，接收
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。 -
USART_BRR波特率寄存器：
波特率指数据信号对载波的调制速率，它用单位时间内载波调制状态改变次数来表示，单位为波特。比特率指单位时间内传输的比特数，单位 bit/s(bps)。对于 USART 波特率与比特率相等，以后不区分这两个概念。波特率越大，传输速率越快
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USART 的发送器和接收器使用相同的波特率。
波特率计算公式：
<aside>
🔥 fPLCK/(16**USARTDIV);
USARTDIV=72000000/(115200*16)=39.0625。
fPLCK 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。
DIV_Fraction=16*0.0625=1=0X01；（小数部分）
DIV_Mantissa=39=0X27；（整数部分）
从而得到USART_BRR波特率寄存器的值为0X0271，这就是115200的波特率对应的寄存器值。
</aside>
五、USART 初始化结构体详解
初始化结构体定义在 stm32f10x_usart.h 文件中，初始化库函数定义在 stm32f10x_usart.c 文件中，编程时我们可以结合这两个文件内注释使用。
USART 初始化结构体（异步）
1 typedef struct {
2 uint32_t USART_BaudRate; // 波特率
3 uint16_t USART_WordLength; // 字长
4 uint16_t USART_StopBits; // 停止位
5 uint16_t USART_Parity; // 校验位
6 uint16_t USART_Mode; // USART 模式
7 uint16_t USART_HardwareFlowControl; // 硬件流控制
8 } USART_InitTypeDef;
- USART_BaudRate：波特率设置。一般设置为 2400、9600、19200、115200。标准库函数会根据设定值计算得到 USARTDIV 值，从而设置 USART_BRR 寄存器值。
- USART_WordLength：数据帧字长，可选 8 位或 9 位。它设定 USART_CR1 寄存器的 M 位的值。如果没有使能奇偶校验控制，一般使用 8 数据位；如果使能了奇偶校验则一般设置为 9 数据位
- USART_StopBits：停止位设置，可选 0.5 个、1 个、1.5 个和 2 个停止位，它设定USART_CR2 寄存器的 STOP[1:0]位的值，一般我们选择 1 个停止位。
- USART_Parity :奇偶校验控制选择 ,可 选 USART_Parity_No( 无校验 ) 、USART_Parity_Even( 偶校验 ) 以 及 USART_Parity_Odd( 奇 校 验 ) ， 它 设 定USART_CR1 寄存器的 PCE 位和 PS 位的值。
- USART_Mode：USART 模式选择，有 USART_Mode_Rx 和 USART_Mode_Tx，允许使用逻辑或运算选择两个，它设定 USART_CR1 寄存器的 RE 位和 TE 位
- USART_HardwareFlowControl：硬件流控制选择，只有在硬件流控制模式才有效，
可选有⑴使能 RTS、⑵使能 CTS、⑶同时使能 RTS 和 CTS、⑷不使能硬件流。
USART 时钟初始化结构体（同步情况）
当使用同步模式时需要配置 SCLK 引脚输出脉冲的属性，标准库使用一个时钟初始化结构体 USART_ClockInitTypeDef 来设置，该结构体内容也只有在同步模式才需要设置。
USART 时钟初始化结构体
1 typedef struct {
2 uint16_t USART_Clock; // 时钟使能控制
3 uint16_t USART_CPOL; // 时钟极性
4 uint16_t USART_CPHA; // 时钟相位
5 uint16_t USART_LastBit; // 最尾位时钟脉冲
6 } USART_ClockInitTypeDef;
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USART_Clock：同步模式下 SCLK 引脚上时钟输出使能控制，可选禁止时钟输出(USART_Clock_Disable)或开启时钟输出(USART_Clock_Enable)；如果使用同步模式发送，一般都需要开启时钟。它设定 USART_CR2 寄存器的 CLKEN 位的值。
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USART_CPOL：同步模式下 SCLK 引脚上输出时钟极性设置，可设置在空闲时SCLK 引脚为低电平(USART_CPOL_Low)或高电平(USART_CPOL_High)。它设定USART_CR2 寄存器的 CPOL 位的值。
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USART_CPHA：同步模式下 SCLK 引脚上输出时钟相位设置，可设置在时钟第一个变化沿捕获数据(USART_CPHA_1Edge)或在时钟第二个变化沿捕获数据。它设定USART_CR2 寄存器的 CPHA 位的值。USART_CPHA 与 USART_CPOL 配合使用可以获得多种模式时钟关系。
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USART_LastBit：选择在发送最后一个数据位的时候时钟脉冲是否在 SCLK 引脚输出 ,可以是不输出脉冲(USART_LastBit_Disable) ,输出脉冲(USART_LastBit_Enable)。它设定 USART_CR2 寄存器的LBCL 位的值。
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下面是必要配置
//使能串口 void USART_Cmd(USART_TypeDef* USARTx, FunctionalState NewState); //使能相关中断 void USART_ITConfig(USART_TypeDef* USARTx, uint16_t USART_IT, FunctionalState NewState); //发送数据串口 void USART_SendData(USART_TypeDef* USARTx, uint16_t Data); //从串口接收数据 uint16_t USART_ReceiveData(USART_TypeDef* USARTx); //获取状态标志位 FlagStatus USART_GetFlagStatus(USART_TypeDef* USARTx, uint16_t USART_FLAG); //清除状态标志位 void USART_ClearFlag(USART_TypeDef* USARTx, uint16_t USART_FLAG); //获取中断状态标志位 ITStatus USART_GetITStatus(USART_TypeDef* USARTx, uint16_t USART_IT); //清除中断状态标志位 void USART_ClearITPendingBit(USART_TypeDef* USARTx, uint16_t USART_IT);
六、USART 实现开发板与电脑通信
要用到一个 USB 转USART 的 IC，我们选择 CH340G 芯片来实现这个功能，CH340G是一个USB总线的转接芯片，实现 USB 转
USART、USB 转 lrDA 红外或者 USB 转打印机接口，我们使用其 USB 转 USART 功能。
将 CH340G 的 TXD 引脚与 USART1 的 RX 引脚连接，CH340G 的 RXD 引脚与USART1 的 TX 引脚连接。CH340G 芯片集成在开发板上，其地线(GND)已与控制器的GND 连通。
USB 转串口硬件设计
编程分析：
- 使能 RX 和 TX 引脚 GPIO 时钟和 USART 时钟；
- 初始化 GPIO，并将 GPIO 复用到 USART 上；
- 配置 USART 参数；
- 配置中断控制器并使能 USART 接收中断；
- 使能 USART；
- 在 USART 接收中断服务函数实现数据接收和发送。
串口配置步骤：
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串口时钟使能 RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_USART1|RCC_APB2Periph_GPIOA, ENABLE);
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串口复位（无需求可以不写）
USART_DeInit（）; -
GPIO模式设置
对GPIO口输入输出的设置GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_AF_PP;//复用推挽输入（相应引脚）
GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_IN_FLOATING;//浮空输出（相应引脚）
-
串口初始化设置
USART_Init(USART1, &USART_InitStructure);
-
开启中断并且初始化NVIC
NVIC_Init（）；
USART_ITConfig(USART1, USART_IT_RXNE, ENABLE);
-
使能串口
USART_Cmd(USART1, ENABLE);
-
编写中断处理函数
void USART1_IRQHandler(void)
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串口数据收发
void USART_SendData(USART_TypeDef* USARTx, uint16_t Data);
uint16_t USART_ReceiveData(USART_TypeDef* USARTx);
-
串口传输状态获取
ITStatus USART_GetITStatus(USART_TypeDef* USARTx, uint16_t USART_IT);
void USART_ClearITPendingBit(USART_TypeDef* USARTx, uint16_t USART_IT);
代码分析
-
GPIO 和 USART 宏定义
1 /** 2 * 串口宏定义，不同的串口挂载的总线和 IO 不一样，移植时需要修改这几个宏 3 */ 4 5 // 串口 1-USART1 6 #define DEBUG_USARTx USART1 7 #define DEBUG_USART_CLK RCC_APB2Periph_USART1 8 #define DEBUG_USART_APBxClkCmd RCC_APB2PeriphClockCmd 9 #define DEBUG_USART_BAUDRATE 115200 10 11 // USART GPIO 引脚宏定义 12 #define DEBUG_USART_GPIO_CLK (RCC_APB2Periph_GPIOA) 13 #define DEBUG_USART_GPIO_APBxClkCmd RCC_APB2PeriphClockCmd 14 15 #define DEBUG_USART_TX_GPIO_PORT GPIOA 16 #define DEBUG_USART_TX_GPIO_PIN GPIO_Pin_9 17 #define DEBUG_USART_RX_GPIO_PORT GPIOA 18 #define DEBUG_USART_RX_GPIO_PIN GPIO_Pin_10 19 20 #define DEBUG_USART_IRQ USART1_IRQn 21 #define DEBUG_USART_IRQHandler USART1_IRQHandler开发板中的 CH340G 的收发引脚默认通过跳帽连接到USART1，如果想使用其他串口，可以把 CH340G 跟 USART1 直接的连接跳帽拔掉，然后再把其他串口的 IO 用杜邦线接到 CH340G 的收发引脚即可.
用 USART1，设定波特率为 115200，选定 USART 的 GPIO 为 PA9 和 PA10
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嵌套向量中断控制器 NVIC 配置
1 static void NVIC_Configuration(void) 2 { 3 NVIC_InitTypeDef NVIC_InitStructure; 4 5 /* 嵌套向量中断控制器组选择 */ 6 NVIC_PriorityGroupConfig(NVIC_PriorityGroup_2); 7 8 /* 配置 USART 为中断源 */ 9 NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannel = DEBUG_USART_IRQ; 10 /* 抢断优先级为 1 */ 11 NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelPreemptionPriority = 1; 12 /* 子优先级为 1 */ 13 NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelSubPriority = 1; 14 /* 使能中断 */ 15 NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelCmd = ENABLE; 16 /* 初始化配置 NVIC */ 17 NVIC_Init(&NVIC_InitStructure); 18 } 19 -
USART 初始化配置
1 void USART_Config(void) 2 { 3 GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure; 4 USART_InitTypeDef USART_InitStructure; 5 6 // 打开串口 GPIO 的时钟 7 DEBUG_USART_GPIO_APBxClkCmd(DEBUG_USART_GPIO_CLK, ENABLE); 8 9 // 打开串口外设的时钟 10 DEBUG_USART_APBxClkCmd(DEBUG_USART_CLK, ENABLE); 11 12 // 将 USART Tx 的 GPIO 配置为推挽复用模式 13 GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = DEBUG_USART_TX_GPIO_PIN; 14 GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_AF_PP; 15 GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz; 16 GPIO_Init(DEBUG_USART_TX_GPIO_PORT, &GPIO_InitStructure); 17 18 // 将 USART Rx 的 GPIO 配置为浮空输入模式 19 GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = DEBUG_USART_RX_GPIO_PIN; 20 GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_IN_FLOATING; 21 GPIO_Init(DEBUG_USART_RX_GPIO_PORT, &GPIO_InitStructure); 22 23 // 配置串口的工作参数 24 // 配置波特率 25 USART_InitStructure.USART_BaudRate = DEBUG_USART_BAUDRATE; 26 // 配置 针数据字长 27 USART_InitStructure.USART_WordLength = USART_WordLength_8b; 28 // 配置停止位 29 USART_InitStructure.USART_StopBits = USART_StopBits_1; 30 // 配置校验位 31 USART_InitStructure.USART_Parity = USART_Parity_No ; 32 // 配置硬件流控制 33 USART_InitStructure.USART_HardwareFlowControl = 34 USART_HardwareFlowControl_None; 35 // 配置工作模式，收发一起 36 USART_InitStructure.USART_Mode = USART_Mode_Rx | USART_Mode_Tx; 37 // 完成串口的初始化配置 38 USART_Init(DEBUG_USARTx, &USART_InitStructure); 39 40 // 串口中断优先级配置 41 NVIC_Configuration(); 42 43 // 使能串口接收中断 44 USART_ITConfig(DEBUG_USARTx, USART_IT_RXNE, ENABLE); 45 46 // 使能串口 47 USART_Cmd(DEBUG_USARTx, ENABLE); 48 }程序用到 USART 接收中断，需要配置 NVIC，这里调用 NVIC_Configuration 函数完成配置。配置完 NVIC 之后调用 USART_ITConfig 函数使能 USART 接收中断。
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字符发送
1 /***************** 发送一个字符 **********************/ 2 void Usart_SendByte( USART_TypeDef * pUSARTx, uint8_t ch) 3 { 4 /* 发送一个字节数据到 USART */ 5 USART_SendData(pUSARTx,ch); 6 7 /* 等待发送数据寄存器为空 */ 8 while (USART_GetFlagStatus(pUSARTx, USART_FLAG_TXE) == RESET); 9 } 10 11 /***************** 发送字符串 **********************/ 12 void Usart_SendString( USART_TypeDef * pUSARTx, char *str) 13 { 14 unsigned int k=0; 15 do { 16 Usart_SendByte( pUSARTx, *(str + k) ); 17 k++; 18 } while (*(str + k)!='\0'); 19 20 /* 等待发送完成 */ 21 while (USART_GetFlagStatus(pUSARTx,USART_FLAG_TC)==RESET) { 22 } 23 }通过使用 USART_GetFlagStatus 函数来获取 USART事件标志来实现发送完成功能等待，它接收两个参数，一个是 USART，一个是事件标志。
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USART 中断服务函数
1 void DEBUG_USART_IRQHandler(void) 2 { 3 uint8_t ucTemp; 4 if (USART_GetITStatus(DEBUG_USARTx,USART_IT_RXNE)!=RESET) { 5 ucTemp = USART_ReceiveData( DEBUG_USARTx ); 6 USART_SendData(USARTx,ucTemp); 7 } 8 9 }USART_GetITStatus 函数与 USART_GetFlagStatus 函数类似用
来获取标志位状态，但 USART_GetITStatus 函数是专门用来获取中断事件标志的，并返回该标志位状态。 -
主函数
1 int main(void) 2 { 3 /*初始化 USART 配置模式为 115200 8-N-1，中断接收*/ 4 USART_Config(); 5 6 Usart_SendString( DEBUG_USARTx,"这是一个串口中断接收回显实验\n"); 7 8 while (1) { 9 10 } 11 }要调用 USART_Config 函数完成 USART 初始化配置，包括 GPIO 配置，USART 配置，接收中断使能等等信息