STM32-串口通讯工作原理

STM32 USART 简介

STM32芯片具有多个USART外设用于串口通讯，USART（通用同步异步收发器）能够灵活地与外部设备进行全双工通讯。USART的全称“通用同步异步收发器”，也就是说他可以同步通信也可以异步通信。但是我们实现串口打印调试信息到电脑，其实只用到了他的异步通信的功能。

USART除了有串口功能，它满足外部设备对工业标准NRZ 异步串行数据格式的要求，并且使用了小数波特率发生器提供了多种波特率，使得它的应用更加广泛。它还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（红外线数据协会） SIR ENDEC 规范，以及调制解调器操作 (CTS/RTS)。而且，它还支持多处理器通信。所以说USART还是很强悍的，我们不可能一一讲解这些功能，其他功能还有待大家一起去研究。具体这些功能的详细介绍可查看《STM32F4xx中文参考手册》26章通用同步异步收发器（USART）。

USART框图分析

此图我们可以分为四部分讲解分为引脚讲解、波特率发生器、USART控制单元、数据交换相关寄存器。

1.USART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。

nRST：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。

STM32F411CCU6一共有3个USART,USART1和USART6时钟来源与APB2总线时钟，其最大频率为100MHz, USART2来源于APB1总线时钟，其最大频率为50MHz。也就意味着他们的最大通讯速率也是不同的。

2.USART波特率发生器

看USART内部框图2部分，USART的发送器速率控制与接收器速率控制共用一个波特率寄存器（USART_BRR），波特率寄存器里存放的是时钟分频值它一共16位，分为整数部分DIV_Mantissa[16:5]和小数部分DIV_Fraction[4:0]两部分。 USART通信所需波特率是对相应总线时钟分频然后一系列计算所得到的。USART波特率计算公式如下：

波特率计算公式

fck:系统总线时钟。USART1和USART6在APB2总线下，USART2在APB1总线下

0VER8:是由USART_CR1的第15位设置。O:16倍过采样；1:8倍过采样

USARTDIV:波特率分频系数，USART_BRR配置得到。USARTDIV的计算公式

USARTDIV = DIV_Mantissa + (DIV_Fraction/8 * (2-OVER8))

 

以下例题：

1.知USARTDIV（10进制）算出USART_BRR（16进制）的值

例如：如果OVER8=0, USARTDIV=25.62,求USART_BRR?

DIV_Fraction = 16*0.62 = 9.92 约等于10 = 0xA;

DIV_Mantissa = 25 = 0x19;

则USART_BRR = 0x19A;

 

2.知USART_BRR（16进制）算出USARTDIV（10进制）的值

例如：如果OVER8=0, USART_BRR=0x1BC,求USARTDIV?

DIV_Mantissa = 0x1B = 27;

DIV_Fraction = 12/16 = 0.75;

则USARTDIV = 27.75;

3.USART波特率计算

例如：USART1通信的波特率位115200，0VER8=0，fck = 100Mhz,求USARTDIV？

解得USARTDIV = 54.253472，可根据上面公式算出DIV_Mantissa = 0x36, DIV_Fraction = 0x4,那么USART_BRR = 0x364

在计算 DIV_Fraction 时经常出现小数情况，经过我们取舍得到整数，这样会导致最终输出的波特率较目标值略有偏差。下面我们从 USART_BRR 的值为 0x364 开始计算得出实际输出的波特率大小。

由 USART_BRR 的值为 0x364，可得 DIV_Fraction=4， DIV_Mantissa=54，所以USARTDIV=54+4/16 =54.25，所以实际波特率为： 115207；这个值跟我们的目标波特率误差为 0.03%，这么小的误差在正常通信的允许范围内。

0VER8=1时，8 倍过采样时计算情况原理是一样的。此部分内容不必全部搞懂，波特率具体计算在库函数中都已完成，不用我们一一计算。

4.USART控制单元

看USART内部框图3部分，是整个USART外设的控制单元，包括发送控制器、唤醒单元、接收控制器，我们通过配置寄存器相应位来设置这些控制器的工作模式，USART的配置寄存器一共有三个我们在这里不一一讲解，我们看这个框图只需理解USART的大致工作过程即可，具体寄存器的配置我们直接调用库函数即可配置，无需我们一位一位的手动配置，如想仔细了解各寄存器的位详细意义，可参考《STM32f4xx中文参考手册》和《RM0383_STM32F411CCU6_Reference manual》。

发送控制器：工作在发送模式，它将按照程序设置的波特率、帧格式将CPU的数据或者DMA总线上的数据一位一位送到Tx引脚。

接收控制器：工作在接收模式，它将按照程序设置的波特率、帧格式将数据从Rx引脚一位一位的接收外部发来的数据并上传给CPU或者DMA。

5.USART数据寄存器和移位寄存器

看USART内部框图4部分，此部分是USART外设外部与内部总线和DMA联系的接口，4部分一共四个寄存器，发送模式用的“发送数据寄存器（TDR）”和“发送移位寄存器”，接收模式用的“接收数据寄存器（RDR）”和“接收移位寄存器”。其实TDR和RDR都属于数据寄存器（USART_DR）具体寄存机介绍看《STM32F4xx中文参考手册》。我们用的时候可以当成两个用。

USART发送过程：

     内部总线有数据需要发送时，

• 首先要使能发送即USART_CR1的TE位置1；
• 接着内部总线的数据的一个字节写入“发送数据寄存器（TDR）”；（该操作将清零TXE位也就是发送数据寄存器非空，数据其他数据不可以写入）
• 紧接着“发送数据寄存器（TDR）”中的数据一次性复制进入“发送移位寄存器”；（将TXE位置既发送数据寄存器为空，后续数据可以接着写入）
• “发送移位寄存器”将刚才“发送数据寄存器（TDR）”复制得数据一位一位的送到Tx引脚
• 循环执行上面的操作，直到总线将最后一个数据写入“发送数据寄存器（TDR）”后，等待TC=1。这表明最后一帧的传送已完成。

     USART接收过程：

      Rx引脚有数据输入时，

• 首先要使能接收即USART_CR1的RE位置1；

• 然后Rx引脚移入数据的最低有效位，到“接收移位寄存器”；

• 当“接收移位寄存器”8位满时，将数据一次性写入“接收数据寄存器（RDR）”;(该操作将RXNE置1既接收数据寄存器非空，总线可读取)

• 总线发现RXNE=1时立即读取数据并将RXNE置零（注意接收期间每接收一个字节RXNE都置1）

循环执行上面操作，直到Rx引脚将最后一字节数据传送入“接收数据寄存器（RDR）”后，等待总线读取完成。