HAL库学习笔记：三、串口通讯之USART（轮询、中断、DMA）

一、USART功能框图

• USART简介
  USART数据寄存器(USART_DR)由两个寄存器组成，一个只用于发送数据的可写寄存器TDR，一个只用于接受数据的可读寄存器RDR。当进行发送操作时，写入USART_DR的数据会自动存储到TDR中；当进行读取操作时，USART_DR 会自动获取RDR中的数据。
• 几个发送数据比较重要的标志位

名称	描述
TE	发送使能
TXE	发送寄存器为空，发送单字节的时候使用
TC	发送完成，发送多个字节数据的时候使用
TXIE	发送完成中断使能

• 几个接收数据比较重要的标志位

名称	描述
RE	接收使能
RXNE	读数据寄存器非空
RXNEIE	发送完成中断使能

• USART的三种传输数据方式
  轮询、中断、DMA

二、编程要求

• 将串口指向USART1，重定义printf函数；
• 串口配置设置波特率为115200 Bits/s。传输数据长度为8 Bit。奇偶检验无，停止位1；
• 数据发送到串口助手，传输间隔为一秒；

三、使用STM32CubeMX生成初始化函数体

• 打开软件
  
• 选择芯片
  
• 配置Debug方式
  
• 配置RCC的高速时钟HSE为陶瓷晶振
  
• 配置如图所示时钟树
  
• 打开串口(USART1)
  
• 配置参数
  
• 生成代码
  

四、使用Keil5编写实现函数

• 系统时钟初始化函数（由STM32CubeMX生成）

/**
  * @brief System Clock Configuration
  * @retval None
  */
void SystemClock_Config(void)
{
  RCC_OscInitTypeDef RCC_OscInitStruct = {0};
  RCC_ClkInitTypeDef RCC_ClkInitStruct = {0};

  /** Configure the main internal regulator output voltage 
  */
  __HAL_RCC_PWR_CLK_ENABLE();
  __HAL_PWR_VOLTAGESCALING_CONFIG(PWR_REGULATOR_VOLTAGE_SCALE1);
  /** Initializes the CPU, AHB and APB busses clocks 
  */
  RCC_OscInitStruct.OscillatorType = RCC_OSCILLATORTYPE_HSE;
  RCC_OscInitStruct.HSEState = RCC_HSE_ON;
  RCC_OscInitStruct.PLL.PLLState = RCC_PLL_ON;
  RCC_OscInitStruct.PLL.PLLSource = RCC_PLLSOURCE_HSE;
  RCC_OscInitStruct.PLL.PLLM = 25;
  RCC_OscInitStruct.PLL.PLLN = 336;
  RCC_OscInitStruct.PLL.PLLP = RCC_PLLP_DIV2;
  RCC_OscInitStruct.PLL.PLLQ = 4;
  if (HAL_RCC_OscConfig(&RCC_OscInitStruct) != HAL_OK)
  {
    Error_Handler();
  }
  /** Initializes the CPU, AHB and APB busses clocks 
  */
  RCC_ClkInitStruct.ClockType = RCC_CLOCKTYPE_HCLK|RCC_CLOCKTYPE_SYSCLK
                              |RCC_CLOCKTYPE_PCLK1|RCC_CLOCKTYPE_PCLK2;
  RCC_ClkInitStruct.SYSCLKSource = RCC_SYSCLKSOURCE_PLLCLK;
  RCC_ClkInitStruct.AHBCLKDivider = RCC_SYSCLK_DIV1;
  RCC_ClkInitStruct.APB1CLKDivider = RCC_HCLK_DIV4;
  RCC_ClkInitStruct.APB2CLKDivider = RCC_HCLK_DIV2;

  if (HAL_RCC_ClockConfig(&RCC_ClkInitStruct, FLASH_LATENCY_5) != HAL_OK)
  {
    Error_Handler();
  }
}

• USART1初始化函数（由STM32CubeMX生成）

#include "usart.h"

UART_HandleTypeDef huart1;

/* USART1 init function */

void MX_USART1_UART_Init(void)
{

  huart1.Instance = USART1;
  huart1.Init.BaudRate = 115200;
  huart1.Init.WordLength = UART_WORDLENGTH_8B;
  huart1.Init.StopBits = UART_STOPBITS_1;
  huart1.Init.Parity = UART_PARITY_NONE;
  huart1.Init.Mode = UART_MODE_TX_RX;
  huart1.Init.HwFlowCtl = UART_HWCONTROL_NONE;
  huart1.Init.OverSampling = UART_OVERSAMPLING_16;
  if (HAL_UART_Init(&huart1) != HAL_OK)
  {
    Error_Handler();
  }

}

void HAL_UART_MspInit(UART_HandleTypeDef* uartHandle)
{

  GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStruct = {0};
  if(uartHandle->Instance==USART1)
  {
  /* USER CODE BEGIN USART1_MspInit 0 */

  /* USER CODE END USART1_MspInit 0 */
    /* USART1 clock enable */
    __HAL_RCC_USART1_CLK_ENABLE();
  
    __HAL_RCC_GPIOA_CLK_ENABLE();
    /**USART1 GPIO Configuration    
    PA9     ------> USART1_TX
    PA10     ------> USART1_RX 
    */
    GPIO_InitStruct.Pin = TXD1_Pin|RXD1_Pin;
    GPIO_InitStruct.Mode = GPIO_MODE_AF_PP;
    GPIO_InitStruct.Pull = GPIO_PULLUP;
    GPIO_InitStruct.Speed = GPIO_SPEED_FREQ_VERY_HIGH;
    GPIO_InitStruct.Alternate = GPIO_AF7_USART1;
    HAL_GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStruct);

  /* USER CODE BEGIN USART1_MspInit 1 */

  /* USER CODE END USART1_MspInit 1 */
  }
}

void HAL_UART_MspDeInit(UART_HandleTypeDef* uartHandle)
{

  if(uartHandle->Instance==USART1)
  {
  /* USER CODE BEGIN USART1_MspDeInit 0 */

  /* USER CODE END USART1_MspDeInit 0 */
    /* Peripheral clock disable */
    __HAL_RCC_USART1_CLK_DISABLE();
  
    /**USART1 GPIO Configuration    
    PA9     ------> USART1_TX
    PA10     ------> USART1_RX 
    */
    HAL_GPIO_DeInit(GPIOA, TXD1_Pin|RXD1_Pin);

  /* USER CODE BEGIN USART1_MspDeInit 1 */

  /* USER CODE END USART1_MspDeInit 1 */
  }
} 

• 重定向串口（添加一个int fputc(int ch, FILE *f)函数）
  记得添加标准输入输出头文件 #include < stdio.h >，否则会报错 identifier “FILE” is undefined

//重定向c库函数printf到串口DEBUG_USART，重定向后可使用printf函数
int fputc(int ch, FILE *f)
{
	/* 发送一个字节数据到串口DEBUG_USART */
	HAL_UART_Transmit(&huart1, (uint8_t *)&ch, 1, 1000);	
	
	return (ch);
}

• 在主函数中添加实现函数（用户添加）

 while (1)
  {
    /* USER CODE END WHILE */
    printf("Ich studiere Deutsch...\r\n");
	HAL_Delay(1000);
    /* USER CODE BEGIN 3 */
  }

五、实验现象

上面用到的轮询的模式。CPU不断查询IO设备，如设备有请求则加以处理。例如CPU不断查询串口是否传输完成，如传输超过则返回超时错误。轮询方式会占用CPU处理时间，效率较低。

六、改进用中断方式收发数据

• 双击.ioc文件，打开工程，修改配置参数
  
  
• 生成代码
  
• 在主文件中定义接收中断缓存区

/* USER CODE BEGIN Includes */
uint8_t aRxBuffer[20];
/* USER CODE END Includes */

• 在中断文件中引用接收缓冲数组（extern）

/* USER CODE BEGIN TD */
extern uint8_t aRxBuffer[20];
/* USER CODE END TD */

• 在main与while之间添加中断接收使能函数

 /* USER CODE BEGIN 2 */
  HAL_UART_Receive_IT(&huart1,aRxBuffer,10);
  /* USER CODE END 2 */

• 定义接受完成回调函数

/* USER CODE BEGIN 4 */
/**
  * @brief  Rx Transfer completed callbacks.
  * @param  huart  Pointer to a UART_HandleTypeDef structure that contains
  *                the configuration information for the specified UART module.
  * @retval None
  */
void HAL_UART_RxCpltCallback(UART_HandleTypeDef *huart)
{
  /* Prevent unused argument(s) compilation warning */
  UNUSED(huart);
  /* NOTE: This function should not be modified, when the callback is needed,
           the HAL_UART_RxCpltCallback could be implemented in the user file
   */
	HAL_UART_Transmit(&huart1,aRxBuffer,10,1000);
}

/* USER CODE END 4 */

• 在中断函数中添加中断接受使能函数，重新使能接受中断

/**
  * @brief This function handles USART1 global interrupt.
  */
void USART1_IRQHandler(void)
{
  /* USER CODE BEGIN USART1_IRQn 0 */

  /* USER CODE END USART1_IRQn 0 */
  HAL_UART_IRQHandler(&huart1);
  /* USER CODE BEGIN USART1_IRQn 1 */
  HAL_UART_Receive_IT(&huart1,aRxBuffer,10);
  /* USER CODE END USART1_IRQn 1 */
}

• 实验现象
  
  说明：由 HAL_UART_Receive_IT(&huart1,aRxBuffer,10) 可以知道，当接收10个数据后，触发接收中断，当接收的数据不足十个时，下次接收的数据自动补足上次空缺的数据，满十个触发中断，调用接收完成回调函数，现象如下（发送两次数据才触发中断），第二次接收自动补足第一次数据，满十个再发送。
  

七、改进用DMA方式收发数据

• 双击.ioc文件，打开工程，修改配置参数
  
• 配置DMA2，模式为单次传输，数据宽度为字节，外设地址不递增，存储器地址递增
  
• 生成代码
  
• 在主文件中定义接收中断缓存区

/* USER CODE BEGIN Includes */
uint8_t aRxBuffer[20];
/* USER CODE END Includes */

• 在中断文件中引用接收缓冲数组（extern）

/* USER CODE BEGIN TD */
extern uint8_t aRxBuffer[20];
/* USER CODE END TD */

• 在main与while之间添加DMA接收使能函数

 /* USER CODE BEGIN 2 */
  HAL_UART_Receive_DMA(&huart1,aRxBuffer,10);
  /* USER CODE END 2 */

• 定义接受完成回调函数

/* USER CODE BEGIN 4 */
/**
  * @brief  Rx Transfer completed callbacks.
  * @param  huart  Pointer to a UART_HandleTypeDef structure that contains
  *                the configuration information for the specified UART module.
  * @retval None
  */
void HAL_UART_RxCpltCallback(UART_HandleTypeDef *huart)
{
  /* Prevent unused argument(s) compilation warning */
  UNUSED(huart);
  /* NOTE: This function should not be modified, when the callback is needed,
           the HAL_UART_RxCpltCallback could be implemented in the user file
   */
	HAL_UART_Transmit_DMA(&huart1,aRxBuffer,10);
}

/* USER CODE END 4 */

• 在中断函数中添加中断接受使能函数，重新使能接受中断

/**
  * @brief This function handles USART1 global interrupt.
  */
void USART1_IRQHandler(void)
{
  /* USER CODE BEGIN USART1_IRQn 0 */

  /* USER CODE END USART1_IRQn 0 */
  HAL_UART_IRQHandler(&huart1);
  /* USER CODE BEGIN USART1_IRQn 1 */
  HAL_UART_Receive_DMA(&huart1,aRxBuffer,10);
  /* USER CODE END USART1_IRQn 1 */
}

• 实验现象
  
  说明：由 HAL_UART_Receive_DMA(&huart1,aRxBuffer,10) 可以知道，当接收10个数据后，触发接收中断，当接收的数据不足十个时，下次接收的数据自动补足上次空缺的数据，满十个触发中断，调用接收完成回调函数，现象如下（发送两次数据才触发中断），第二次接收自动补足第一次数据，满十个再发送。
  
  蓝色为发送，红色为接收。
  –END–