理论学习一、USART介绍
' {; m3 J" k: a2 A) R: O1.1、USART简介
# g+ u0 ~, ^8 Q* Z        通用同步异步收发器（USART）是全双工数据交换，满足外部设备对工业标准NRZ异步串行数据格式要求。通过小数波特率发生器提过多种波特率。支持同步单向通信和半双工单线通信；还支持LIN（局域互连网络）、智能卡协议与IrDA（红外数据协会）SIR ENDEC规范；调制解调器操作（CTS/RTS）；多处理器通讯；可以通过配置多个缓冲区使用DMA实现高速数据通讯。
" i: Z  B# t5 O  ~- `, h
1.2、USART主要特征
全双工异步通讯、单线半双工通信
* O# H9 z7 ^' X: g# J8 M$ E具有小数波特率发生器，可编程收发波特率
可配置16倍过采样或8倍过采样，因而速度容差与时钟容差的灵活配置提供可能
- `2 }4 H1 Z7 p1 g" ]; D数据长度可编程（8位或9位），停止位可配置（1位或2位）
可以用于同步发送的发送器时钟输出
具有4个错误标志和10个标志位的中断源
6 |; j' n( I* R两个接收器唤醒模式：地址位（MSB，第9位），线路空闲

1.3、USART功能说明

  F  [: f1 D- y! ^


引脚说明：RX-接受数据引脚；TX-发送数据引脚；SCLK-发送器时钟输出；nCTS-"清除以发送"用于在当前传输结束时阻止数据发送（高电平时）；nRTS-"请求以发送"用于指示USART已准备好接收数据（低电平）。
$ t+ x3 j( z9 q/ D8 W4 \正常USART模式下（异步全双工），RX、TX以帧的形式发送和接收串行数据：1、发送或接收前保持空闲线路；2、起始位；3、数据（字长 8 位或 9 位）；4、最低有效位在前、用于指示帧传输已完成的 0.5 个、1 个、1.5 个、2 个停止位；5、该接口使用小数波特率发生器 - 带 12 位尾数和 4 位小数；6、状态寄存器 (USART_SR)；7、数据寄存器 (USART_DR)；8、波特率寄存器 (USART_BRR) - 12 位尾数和 4 位小数；9、智能卡模式下的保护时间寄存器 (USART_GTPR)。
6 X0 Y  x' O9 _, l: L7 M. Y同步模式下：RX、TX、SCLK引脚
硬件流控制模式下：RX、TX、SCLK、nCTS、nRTS
$ c( i/ W0 X+ R1 H* u* G
! ?$ o. L2 |% A5 v# e1.3.1 传输的数据结构
2 T8 l# S1 z6 f. e/ c起始位
1 A) O0 N6 y0 Z" X5 \, v数据位（8位或9位）
; v+ F3 M, `% G2 |0 z奇偶校验位（第9位）
# F- K  |  n$ g) V& d停止位（1，15，2位）

! R. l* e* V$ O% d# O# i4 ~4 J5 |

可通过对 USART_CR1 寄存器中的 M 位进行编程来选择 8 位或 9 位的字长。

& n: s" V+ h2 j& ?% O# `6 y2 N
1.3.3 实现的功能
这里不对功能进行详细介绍，如果想深入了解请参考芯片的参考手册。
6 F5 d1 u- p( _& P9 b& l
发送器、接收器、小数波特率生成、接收器对时钟偏差的容差、多处理器通讯、奇偶校验控制、LIN（局域互连网络）模式、同步模式、单线半双工通讯、智能卡、IrDA SIR END EC模块、使用DMA进行连续通讯、硬件流控制。
3 i' M( m, w2 T1 O$ t
6 S0 A# [  J. `. I8 ^0 ?
1.4、USART模式配置（串口的波特率、状态、控制）
+ }9 b+ k0 E& n, R+ C* I
0 L9 z  W8 ?$ d/ z& Z1 x

        本博客只是简单的实现串口的基本异步通讯功能，USB串口和电脑通讯。不做过多深入的介绍。 串口最基本的设置，就是波特率的设置。STM32F4的串口，只要开启串口时钟、并设置相应IO口的模式、配置一下波特率、数据长度、奇偶校验位等信息，就可以使用了。
串口时钟使能：APB1/2ENR
串口控制：每个串口都有3个控制寄存器USART_CR1~3
数据发送与接收：数据寄存器USART_DR（双寄存器），TDR（写入）和RDR（读取）
: A2 `7 ?/ A9 b2 M, G串口状态：状态寄存器USART_SR
7 W7 f) @. _8 z- W" r- f0 h# l串口波特率设置：波特率寄存器USART_BRR

) W; o2 d9 U7 a* [  \. r% J- i



2 a8 D  O# @# }: }* Y/ ?8 |
以上是相关的寄存器，寄存器具体相关位配置请参考芯片的参考手册

二、IO口复用功能输入/输出
2.1 复用功能简介
        每个IO引脚都有一个复用器，采用16路复用功能（AF0到AF15），有两个寄存器（GPIOx_AFRL和GPIOx_AFRH）可用来从每个IO可用的16个复用功能输入、输出中进行选择。借助这些寄存器，可以将引脚配置为复用功能。


* G* p" n: {0 L6 ?


& K7 `4 i9 {( B* } 2.2 复用功能配置


' C1 a! F5 N1 T
" w5 y/ Z1 G- C, c
( m7 {& W6 y5 n" V4 ~
' B, \7 `. }) ?# U+ r# W


7 @$ D9 |1 r* ~% x# @ 除ADC和DAC配置为模拟通道以外其他一律为复用功能。

  V* i+ w" W" m( l0 L, y+ Z( h
. j6 J2 U) q/ V; F# ~2.3 USART1对应的复用功能映射引脚

1 E/ N6 q& p! m

( K7 K& q- G0 b, f) X+ j. Q" x8 L
$ F' y; A7 {, z. k) t& A# J( Z5 t) f( a三、NVIC中断优先级管理（串口中断）
3.1 NVIC特征
/ m' ?5 H. U/ s: m" a, h8 K        STM30F40X具有92个中断（10个内核中断，82个可屏蔽中断），16个可编程优先级（使用了4位中断优先级），低延迟异常和中断处理。
" ^; ~: E7 R' x  w
3.2 中断管理方法
首先将STM32中断分为0~4组，每组都有一个抢占优先级和响应优先级。通过寄存器SCB->AIRCR来配置。

5 h1 t7 u7 i; E
) r4 o  |7 n( K1 D6 X/ v
高优先级的抢占优先级是可以打断正在进行的低抢占优先级中断的。
抢占优先级相同的中断，高响应优先级不可以打断低响应优先级的中断。
抢占优先级相同的中断，当两个中断同时发生的情况下，哪个响应优先级高，哪个先执行。
如果两个中断的抢占优先级和响应优先级都是一样的话，则看哪个中断先发生就先执行；
  k: Q: m% p- f! D! }
注：常用 ISER、ICER 和 IP 这三个寄存器，ISER 用来使能中断，ICER 用来失能中断，IP 用来设置中断优先级。

2 F: S" @* C$ I7 j3 }
+ i; t5 \- v% W0 U' W$ s  I3.3 中断设置相关寄存器
与之相匹配的结构体：
  [: t- f1 o) e$ x$ O) l/ r
7 W! k: Q1 \, @; E9 K, i
: ?- i8 s/ G% f3 Z; X, S
) k& O9 i; w3 L3 E! V__IO uint8_t  IP[240]; //中断优先级控制的寄存器组，Interrupt Priority Registers
& ^) _  G$ k  F# g
240个8位寄存器，每个中断使用一个寄存器来确定优先级，STM32F40x系列一共82个可屏蔽中断，使用IP[81]~IP[0]。每个IP寄存器的高4位用来设置抢占和响应优先级（根据分组），低4位没有用到。 例如：NVIC->IP[37] = 0xf0;   //对应将USART1的中断，设置位抢占2响应2.
- F  o9 I0 {6 P* f4 U
这里的37是指中断向量表中的位置


- ^3 S- B% e$ _% n; K0 s2 l1 @- J
, d8 o4 l- ]3 ?( S7 K9 A3 D, h__IO uint32_t ISER[8]; //中断使能寄存器组
' ?" y% \" O* W# E( b6 k% S: q+ f
  R7 y/ {& ?3 R7 r32位寄存器，每个位控制一个中断的使能。STM32F40x只有82个可屏蔽中断，所以只使用了其中的ISER[0]~ISER[2]。 ISER[0]的bit0~bit31分别对应中断0~31。ISER[1]的bit0~27对应中断32~63；ISER[2]的bit0~17对应中断64~81；   例如：NVIC->ISER[1] = 1<<(37%32);   
__IO uint32_t ICER[8]; //中断失能寄存器组，配置方法与ISER相同
: Q' @  x) e/ K" s- w. s! ?/ L__IO uint32_t ISPR[8]; //中断挂起寄存器组
__IO uint32_t ICPR[8]; //中断解挂寄存器组
# {$ h2 `- M& j+ U; Z6 b8 H- l__IO uint32_t IABR[8]; //中断激活标志位寄存器组，只读，为1时，说明中断正在执行。

) X* J6 Y( G3 W; C- N3.3 中断优先级设置步骤
一般情况下，系统代码执行过程中，只执行一次中断优先级分组。
设置中断优先级分组
针对每个中断，设置对应的抢占优先级和响应优先级
; o) A/ {/ K' O3 g# R) U3 o: [# I如果需要挂起和解挂，查看中断当前激活状态，分别调用相关函数。

. n" Q9 Q. m0 [- }4 a3.4 USART相关的中断事件
: s/ p2 s2 c' p' e! i6 x+ r
) ^9 U' Q" K- r& O. A$ Q


$ J6 L: ~/ a# J! X
* I* Y: J  \8 D- w1 q( A  f; E; `实战演练
2 B8 o% P% q3 A0 _6 j一、设计规划
1.1 实验目标
实现如下功能： STM32F4 通过串口和上位机的对话，STM32F4 在收到上位机发过来的字符串后，原原本本的返回给上位机。

1.2 硬件资源
（1）指示灯DS0；（2）串口1
本实验用到了串口1，但PCB上并没有与USB链接，需要使用跳线帽将其硬件连接。
+ q" ~1 ]6 O4 \
& O6 c( e2 f! a2 ^0 M6 I
  F7 m3 T+ e. b) r
$ l6 H" K. T( }9 q3 x$ P6 ]  m" A! E1 D二、程序设计
# t0 P( c# c. k  U( ~' i2.1 建立工程
  为了更加深入的学习串口的配置，这里单独建立了USART1的配置文件，配置用来学习。
为什么要单独配置，在实际应用串口时，不仅仅只用串口1，但是正点原子只提供了USART1的配置文件，如果不深入只是走马观花而已。



9 P: G% R8 w/ d5 Z0 H3 M2.2 串口配置讲解
1 F8 ]6 w( [1 r/ W8 _3 \! [: v/ g常用的串口相关寄存器：USART_SR(状态)、DR（数据）、BRR（波特率）、CR1~3(控制)
9 F& R! `0 ^! q; G8 ~设置步骤：
1.     设置中断优先级分组（如果之前没有设置），这个最好一个程序里只在开头设置一次。
% F( {0 F- y0 c$ [2.     使能相关时钟：GPIO（PA9/10）、串口(USART1)。
' d: e, V* [2 ]3.     设置相关GPIO引脚为复用模式【MODE】，引脚的速度，方式。
: j8 {  ]5 s) l5.     选择相关GPIO引脚的复用功能（【AFR】映射到USART1）。
& p# {0 _# E6 L3 \$ v3 T$ s6.     设置波特率【BRR】，  设置控制寄存器【CR1~3】。
3 x, w" U$ H9 q( y4 ?4 i  n0 |$ b8.     如果要用到中断，设置USART中断优先级，使能USART中断。
10.  如果要用中断，编写中断服务函数（函数名是固定的）。
, m9 A" z+ y; B! `" _11.  中断服务函数里检查是哪个中断。
* g. |2 N% G0 Y4 a" c12.  编写相应服务程序。

对以上步骤进行总结：GPIO、USART、中断优先级、串口中断服务函数、主函数
3 @, f. g& l$ L) Z1 [1 L2 ?usart1.h
/ y4 |" ], q: X: R. ]" I

1. #ifndef __USART1_H
   
2. #define __USART1_H
   
3. #include "sys.h"
   
4. #include "stdio.h"
   : K; C" b+ m8 v0 o7 x! s% l, ~! Q
5. #define USART1_MAX_REC_LEN  200      
     m6 r+ ]7 _, \0 \; H6 R( g3 K# r3 M
6. 
   
7. extern u8 USART1_RX_BUF[USART1_MAX_REC_LEN];   //接收数据缓存区
     O5 y' ~( m: b' @5 y
8. extern u8 RX_data_counter;                                       //接收字节计数器
   + {# z% ^2 K7 N1 G/ X* c* E, m" |
9. extern u8 RX_stat_fin;                         //串口接收状态，1接收完成，0接收未完成
   % }6 }7 }& E7 s' V6 _
10. 
    ; ^% s% A/ |* F5 l8 t# t
11. void usart1_init(u32 pclk2,u32 bound);         
    * J9 S3 W- K' O+ o. m8 O( {% w
12. #endif

复制代码

4 D$ z, f4 e& N: Iusart1.c

1. #include "usart1.h"
   % N  a% |7 k7 m8 g) J% g- R
2. #include "sys.h"
   
3. 
   
4.         u8 USART1_RX_BUF[USART1_MAX_REC_LEN];
   8 p: P. W$ K, U4 s2 ?: f; a
5.         u8 RX_data_counter=0;
   ' g7 d: \' ^+ z8 m8 [# \3 c0 h
6.         u8 RX_stat_fin=0;
   ! s* ]" p0 t* U& w& v8 t
7. //USART1中断服务函数
   5 q7 x# a: z4 q0 ^
8.         void USART1_IRQHandler(void)
   % k- |1 a$ [0 B$ i, _
9. {
   . U# }' _8 q# z& T4 G
10.         if(USART1->SR & (1<<5))                              //判断是否接收完成
    
11.         {  
    & ?* n) Q4 ^6 S2 K
12.                 USART1_RX_BUF[RX_data_counter] = USART1->DR;
    ; e/ N# @& H/ l  b# c
13.                 RX_data_counter++;
    6 x: G7 ^$ y0 n& ^8 g, w$ h2 m, b5 _
14.                 if(USART1_RX_BUF[RX_data_counter-1] == 0X0D)    //0X0D:结束标志，'\r'回车键 '\n'
    
15.                 {         
    7 c; E; n7 F; u" F$ S! F
16.                         RX_data_counter = 0;
    
17.                         USART1->CR1 &= ~(1<<5);       //清除中断使能
    
18.                         RX_stat_fin = 1;              //接收完成标志
    . m2 |! D1 E0 d' V7 |' t, G
19.                 }        
    . z9 l( ?/ L; t& J
20.         }
    3 g, J3 I- D! P2 L6 p# U9 ~6 Q% c0 Z
21. }
    : {) E. k4 T$ g  y
22. 
    
23. //串口1初始化：pclk2:APB2的时钟 84M  bound：波特率 115200
    
24. void usart1_init(u32 pclk2,u32 bound)
    
25. {
    2 a! B/ U5 ~3 A/ F/ U
26. //求除波特率对用的BRR相关位的值
    
27.         float temp;
    
28.         u16 mantissa;
    . q9 [& L# u5 w' [' n
29.         u16 fraction;
    6 `! O# a0 y, h0 Z  H
30.         temp=(float)(pclk2*1000000)/(bound*16);
    
31.         mantissa=temp;                                         
    
32.         fraction=(temp-mantissa)*16;
    8 b5 ]- G6 |$ G  J7 q' Q4 K; h/ N
33.     mantissa<<=4;
    ' J9 A/ k: i. O, {) J& [/ E& G9 f9 b
34.         mantissa+=fraction;  
    
35. //时钟使能   
    0 d8 M- D  k0 k8 x- ?( K
36.          RCC->AHB1ENR |= 1<<0;          //GPIOA
    
37.         RCC->APB2ENR |= 1<<4;     //USART1
    
38. //GPIO:        AF PP 50M PU
    2 D2 O7 `) W" ~8 B' l
39.         GPIOA->MODER &= 0XFFC3FFFF;
    1 L3 w0 ^5 u- F9 R; ~" v) \" @1 P) M/ i
40.         GPIOA->MODER |= 0X00280000;   //PA9/10 AF
      E6 i* C- k6 j# W' S2 I' T
41.         GPIOA->OSPEEDR &= 0XFFC3FFFF;
    
42.         GPIOA->OSPEEDR |= 0X00280000;  //PA9/10  50M
    # b  `' ~! F, ~) |5 m; v
43.         GPIOA->PUPDR &= 0XFFC3FFFF;
    
44.         GPIOA->PUPDR |= 0X00140000;     //PA9/10 PU
    - ?" ~' x7 a9 `
45. //GPIOA->AF(USART1)
    
46.         GPIOA->AFR[1] &= 0XFFFFF00F;  
    3 N8 ?$ ^5 ?. B
47.         GPIOA->AFR[1] |= 0X00000770;
    
48. //波特率寄存器设置
    ) L3 f( Z( Z8 }# \3 h; v3 J
49.         USART1->BRR=mantissa;        
    9 Q3 ^/ c3 M0 z
50.         USART1->CR1&=~(1<<15);
    + F0 C* T' S* L
51. //USART1控制
    
52.         USART1->CR1 |= 1<<3;      //串口发送使能
    # C* U# ~& N" D
53.         USART1->CR1 |= 1<<2;      //串口接收使能
    
54.         USART1->CR1 |= 1<<5;      //接收缓冲区非空中断使能，ORE=1或RXNE=1时，自动置为，生成中断
    4 U9 i0 g% Z  b9 ?
55.         USART1->CR1 |= 1<<13;     //串口使能
    
56. //中断优先级设置，这里未进行分组，将分组放到了主函数（分组最好只分一次）
    
57.         NVIC->IP[37] = 0xf0;             //相关寄存器配置请参考前面的理论学习部分
    
58.         NVIC->ISER[1] = 1<<(37%32);        
    
59. 
    0 v& y' J* u2 L8 d; u9 ~4 N  v% `3 e! ?6 U

复制代码

这里注意时钟的使能：RCC->APB2ENR |= 1<<4;     //USART1 ，外设是挂在再APB总线上。

而不是AHB2ENR |= 1<<4，如过这里出错将无法往寄存器中写值。
& T' c9 d+ {* k- p

2.3 主函数text.c
此时已经将串口配置完成，也声明了接收数据的变量。要将接收到的数据发送回去，就需要在主函数中进行发送即，将接收的数据重新写入到串口的DR寄存器中即可。

7 I7 G# |: e; K9 I  a( ]5 C这里说一下数据格式：串口中断服务函数，在接收数据时判断是否有回车键作为接收完成标志， //0X0D:结束标志，'\r'回车键 （在调试的时候会观察数据）。
; @3 }0 `9 s1 B# G3 }: h

1. #include "sys.h"
   
2. #include "delay.h"
   
3. #include "usart1.h"
   0 \* H5 s( C0 _% W
4. #include "led.h"
   / C3 z, h- @- S' u2 g1 K
5. 
   5 S" c3 N0 N  m
6. int main(void)
   " L5 V* l$ W+ V" E" f: H0 }8 g7 V
7. {
   1 R8 w5 q: M! y8 g0 {
8.         char TX_data_counter = 0;       //发送计数器
   8 w* f& p+ S! y
9.         Stm32_Clock_Init(336,8,2,7);     
   $ s7 [6 e3 u/ C8 R5 G; d! G: {
10.         delay_init(168);
    
11.     SCB->AIRCR |= 0X05FA0000 | 0x500;    //在这里设置中断组号
    / S! ]( i" u4 M. h1 B" Y7 t5 |
12.         usart1_init(84,115200);   
    
13.         LED_Init();
    
14.         
    
15.         while(1)
    ; s- s# m2 A2 a5 M4 k$ s. Z
16.         {
    % b/ A$ t! Y% G) B* p
17.                 if(RX_stat_fin)
    
18.                 {
    
19.                         LED0 = 1;
    
20.                         LED1 = 0;           //嵌入式发送指示灯
    
21.             delay_ms(10);     
    
22.                         //for(j=0;j<strlen((char*)USART3_RX_BUF);j++)    //另一种判断数据发送结束方法
    
23.                         if(USART1->SR & (1<<7))         
    / q& g8 d, ?- n' S2 [) k+ j% z9 a
24.                         {
    1 q% z: X) ?" c
25.                                 USART1->DR = USART1_RX_BUF[TX_data_counter];
    ; Q$ L! \2 v% e) P' l1 B
26.                                 TX_data_counter++;
    3 ?1 ?. ^! h' u$ s- V& |
27.                                 if(USART1_RX_BUF[TX_data_counter] == '\r')      //将回车键'r'传回
    4 E2 `1 _1 V. o  ^2 @
28.                                 {
    4 f  p1 L( M8 J1 k% m1 n
29.                                         USART1->DR = USART1_RX_BUF[TX_data_counter];
      G# [4 ^. u0 w8 W8 m4 l+ a' e) }
30.                                         TX_data_counter = 0;
    
31.                                         USART1->CR1 |= 1<<5;
    3 I* m, O' m8 i) D& ?' x, b! t# r. v
32.                                         RX_stat_fin = 0;
    
33.                                 }                                
    " a/ \0 r. M  a7 w, L
34.                         }                        
    
35.                 }
    
36.                 else
    
37.                 {
    % |0 \4 E" o# o! o, A1 V
38.                         LED0=0;        
    + M8 I6 d: c2 B  Q) }
39.                         LED1=1;
    
40.                 }               
    , u3 z8 D4 Y" v- J
41.         }        
    ) J6 _% C. R9 }
42. }

复制代码

三、在线调试
下载完成完成后，打开调试，点击运行，并调出RCC、GPIOA、USART1相关的寄存器,，添加变量USART1_RX_BUF观察接收的数据。


- x4 H0 p6 \' `
4 h/ n" B  f* A( s$ u4 [9 l- Q+ D 在串口初始化函数处打断点，并进入函数观察寄存器的变化，点击

6 r0 |5 H7 w7 L' T7 q( h# e7 d
2 U* G# @9 J  M  X+ s/ {
点击进入串口初始化函数内部，并在函数内部结束处打一个断点观察寄存器的变化。

3 \# r8 a0 Z5 P- }1 f  r
1 b! u* K7 Q7 s7 B
时钟响应的位已经使能：

) H% J/ m3 N. \  Q3 q6 f: Y! S

: ]; T9 g9 X  l( F3 |/ Y  n5 W根据GPIOA相关位配置对照，也并无问题：
$ d# z7 D2 Q1 \7 c
; L5 f6 |. M( |, l/ W

  `$ y9 H5 d4 [& X串口USART1相关的寄存器配置也并无问题：
3 I- p7 m; v" x5 ^& r2 w
3 M  Y- }2 l' T4 s! \- H

观察接收变量：地址 名称 值
1 \  w6 K" M! D3 z) Y4 L
1 M0 q8 b; X* c9 P, k% [4 O
. K! v0 P& |& ~& [5 n# }
- Q0 |9 i1 O! y0 u2 n/ x8 V: T当打开串口调试助手向单片机发送4256可以观察到接收变量其值的变化
. h: K  G6 C* U
. Z" Q+ i4 J# Z' `- M/ w0 M+ n
+ I7 a! D$ a5 n0 u8 y4 i* s
$ i# b  q' s( H4 R  M( k0 ^, `) t- T8 s, I1 f四、上板验证
将程序编译并下载到开发板中
+ [, R1 N6 o* W8 d0 w) j
/ h% T) B6 I6 w: G

打开串口调试助手


3 B' }* _( j3 [8 |3 C1 E
. ^3 u( G, z$ |5 b( L0 F3 q; R 向从串口调试助手向开发板发送4256，其也会返回4256的值。
! d# s( D$ B% B! u" _& u
6 ~+ a% R+ F- c+ L; w3 Z1 w8 W同时在串口助手向开发板发送数据时，也出出现DS0和DS1闪烁的现象。DS0常量表示静默状态（既不发送，也不接收）
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+ n8 N6 S0 s) D8 M2 ^. j版权声明：追逐者-桥
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