MCU常见通信总线串讲（一）—— UART和USART

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前言

首先明确一个概念，关于MCU中通信总线和通信协议，通信总线是一种用于连接各种外设和模块的物理接口，它可以传输数据和控制信息。通信协议则是指在通信总线上传输数据时所遵循的规则和约定，以确保不同设备之间能够正确地交换信息，我们也可以把他叫做通信总线协议。

系列文章，主要讲解以下几个总线协议，读者可以按需选择：

1. UART和USART
2. RS232、RS485总线
3. IIC总线
4. SPI总线
5. CAN总线
6. USB总线

一、简介

UART：Universal Asynchronous Receiver/Transmitter，通用异步收发器。
USART：Universal Synchronous/Asynchronous Receiver/Transmitter，通用同步/异步串行接收/发送器。

UART是一种通用的异步串行通信协议，它使用起始位、数据位、校验位和停止位来传输数据。在UART通信中，数据的传输是通过固定的波特率进行的，发送和接收端需要事先约定好波特率、数据位、校验位和停止位等参数。UART通常用于连接微控制器、传感器、外围设备等，并且在计算机系统中也广泛应用于串口通信。

USART是一种更为复杂的串行通信协议，它同时支持同步和异步的数据传输方式。与UART不同的是，USART可以选择同步或者异步模式进行通信，并且提供了更多的控制选项，比如硬件流控制、双向通信等。USART通常用于对数据传输速度要求较高、需要双向通信或者需要更灵活控制的场景。

二、帧格式

UART：

1. 起始位（Start Bit）：起始位指示数据帧的开始。它始终是逻辑低电平，并且标志着数据的传输即将开始。

2. 数据位（Data Bits）：数据位是实际的数据传输部分。它表示要传输的数据，可以是5位、6位、7位或8位，取决于所选择的数据位长度。

3. 校验位（Parity Bit）：校验位是可选的，用于检测传输过程中的错误。常见的校验方式包括奇校验、偶校验或者不使用校验。校验位的选择取决于通信双方事先约定好的校验规则。

4. 停止位（Stop Bit）：停止位标志着数据帧的结束。它始终是逻辑高电平，用于告知接收端该数据帧已经传输完成。

发送过程中，发送方和接收方的波特率需要保持一致，为了减少累计的误差，最多发送1个字节，也就是发送的数据位，最多为8位。

USART支持同步模式，因此USART 需要同步始终信号USART_CK，一般在单片机里面同步信号很少使用，所以USART和UART使用方式是一样的，都使用异步模式。

三、硬件连接

USART和UART在硬件连接上有一些差别，主要是因为USART支持同步通信而UART不支持。下面是它们的硬件连接方式：

1. UART的硬件连接：

• UART通常使用三根线进行连接：TX（发送端）、RX（接收端）和地线（GND）。发送端的TX线连接到接收端的RX线，接收端的TX线连接到发送端的RX线。此外，两端的地线需要连接在一起，以确保信号的参考电位相同。
• 在单片机或者嵌入式系统中，UART通常通过芯片上的引脚来连接，例如MCU的TX引脚连接到外部设备的RX引脚，MCU的RX引脚连接到外部设备的TX引脚。

2. USART的硬件连接：

• USART的连接方式与UART类似，但是在同步模式下还需要连接一个时钟线（CLK）。因此，USART在同步模式下通常使用四根线进行连接：TX、RX、CLK和GND。
• 在使用USART进行同步通信时，发送端和接收端需要共享一个时钟信号，因此需要额外的时钟线来进行连接。

总的来说，UART和USART在硬件连接上的主要区别在于是否需要连接时钟线。

四、工作模式

• 单工模式（Simplex Communication）的数据传输是单向的。通信双方中，一方固定为发送端，一方则固定为接收端。信息只能沿一个方向传输，使用一根传输线。
• 半双工模式（Half Duplex）通信使用同一根传输线，既可以发送数据又可以接收数据，但不能同时进行发送和接收。数据传输允许数据在两个方向上传输，但是，在任何时刻只能由其中的一方发送数据，另一方接收数据。因此半双工模式既可以使用一条数据线，也可以使用两条数据线。半双工通信中每端需有一个收发切换电子开关，通过切换来决定数据向哪个方向传输。因为有切换，所以会产生时间延迟，信息传输效率低些。
• 全双工模式（Full Duplex）通信允许数据同时在两个方向上传输。因此，全双工通信是两个单工通信方式的结合，它要求发送设备和接收设备都有独立的接收和发送能力。在全双工模式中，每一端都有发送器和接收器，有两条传输线，信息传输效率高。

显然，在其它参数都一样的情况下，全双工比半双工传输速度要快，效率要高。

五、使用流程

1. 初始化：首先需要初始化UART模块，包括设置波特率（Baud Rate）、数据位长度、校验位和停止位等参数。这些参数需要与通信的对端设备相匹配，以确保正常的数据传输。

2. 发送数据：要发送数据，首先将要发送的数据写入到UART发送缓冲区。通过编程方式将数据写入发送缓冲区后，UART模块会自动将数据发送出去。在发送数据之前，需要检查发送缓冲区是否为空，以确保可以安全地写入新的数据。

3. 接收数据：接收数据时，需要检查接收缓冲区中是否有新的数据可供读取。如果接收缓冲区中有数据可读，可以通过编程方式读取数据并进行处理。

4. 错误处理：在UART通信过程中，可能会发生一些错误，比如校验错误或者帧错误。在接收数据时，需要及时检查错误标志位，以便进行相应的错误处理和恢复。

5. 中断处理：为了提高系统的响应速度和效率，通常会使用UART中断来处理接收和发送数据。在使用中断的情况下，需要编写相应的中断服务程序（ISR），以处理接收到的新数据或者发送缓冲区为空的情况。

6. 关闭和清理：在程序结束或者不再需要使用UART时，需要关闭UART模块，并进行相应的资源清理工作，以释放相关的资源和关闭相应的中断。

具体示例（MCU为STM32F103）

#include "bsp_usart.h"
 /**
  * @brief  配置嵌套向量中断控制器NVIC
  * @param  无
  * @retval 无
  */
static void NVIC_Configuration(void)
{
  NVIC_InitTypeDef NVIC_InitStructure;
  
  /* 嵌套向量中断控制器组选择 */
  NVIC_PriorityGroupConfig(NVIC_PriorityGroup_2);
  
  /* 配置USART为中断源 */
  NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannel = DEBUG_USART_IRQ;
  /* 抢断优先级*/
  NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelPreemptionPriority = 1;
  /* 子优先级 */
  NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelSubPriority = 1;
  /* 使能中断 */
  NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelCmd = ENABLE;
  /* 初始化配置NVIC */
  NVIC_Init(&NVIC_InitStructure);
}

 /**
  * @brief  USART GPIO 配置,工作参数配置
  * @param  无
  * @retval 无
  */
void USART_Config(void)
{
	GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;
	USART_InitTypeDef USART_InitStructure;

	// 打开串口GPIO的时钟
	DEBUG_USART_GPIO_APBxClkCmd(DEBUG_USART_GPIO_CLK, ENABLE);
	
	// 打开串口外设的时钟
	DEBUG_USART_APBxClkCmd(DEBUG_USART_CLK, ENABLE);

	// 将USART Tx的GPIO配置为推挽复用模式
	GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = DEBUG_USART_TX_GPIO_PIN;
	GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_AF_PP;
	GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;
	GPIO_Init(DEBUG_USART_TX_GPIO_PORT, &GPIO_InitStructure);

  // 将USART Rx的GPIO配置为浮空输入模式
	GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = DEBUG_USART_RX_GPIO_PIN;
	GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_IN_FLOATING;
	GPIO_Init(DEBUG_USART_RX_GPIO_PORT, &GPIO_InitStructure);
	
	// 配置串口的工作参数
	// 配置波特率
	USART_InitStructure.USART_BaudRate = DEBUG_USART_BAUDRATE;
	// 配置 针数据字长
	USART_InitStructure.USART_WordLength = USART_WordLength_8b;
	// 配置停止位
	USART_InitStructure.USART_StopBits = USART_StopBits_1;
	// 配置校验位
	USART_InitStructure.USART_Parity = USART_Parity_No ;
	// 配置硬件流控制
	USART_InitStructure.USART_HardwareFlowControl = USART_HardwareFlowControl_None;
	// 配置工作模式，收发一起
	USART_InitStructure.USART_Mode = USART_Mode_Rx | USART_Mode_Tx;
	// 完成串口的初始化配置
	USART_Init(DEBUG_USARTx, &USART_InitStructure);
	
	// 串口中断优先级配置
	NVIC_Configuration();
	
	// 使能串口接收中断
	USART_ITConfig(DEBUG_USARTx, USART_IT_RXNE, ENABLE);	
	
	// 使能串口
	USART_Cmd(DEBUG_USARTx, ENABLE);		

  // 清除发送完成标志
	//USART_ClearFlag(USART1, USART_FLAG_TC);     
}

/*****************  发送一个字符 **********************/
void Usart_SendByte( USART_TypeDef * pUSARTx, uint8_t ch)
{
	/* 发送一个字节数据到USART */
	USART_SendData(pUSARTx,ch);
		
	/* 等待发送数据寄存器为空 */
	while (USART_GetFlagStatus(pUSARTx, USART_FLAG_TXE) == RESET);	
}

/*****************  发送字符串 **********************/
void Usart_SendString( USART_TypeDef * pUSARTx, char *str)
{
	unsigned int k=0;
  do 
  {
      Usart_SendByte( pUSARTx, *(str + k) );
      k++;
  } while(*(str + k)!='\0');
  
  /* 等待发送完成 */
  while(USART_GetFlagStatus(pUSARTx,USART_FLAG_TC)==RESET)
  {}
}

/*****************  发送一个16位数 **********************/
void Usart_SendHalfWord( USART_TypeDef * pUSARTx, uint16_t ch)
{
	uint8_t temp_h, temp_l;
	
	/* 取出高八位 */
	temp_h = (ch&0XFF00)>>8;
	/* 取出低八位 */
	temp_l = ch&0XFF;
	
	/* 发送高八位 */
	USART_SendData(pUSARTx,temp_h);	
	while (USART_GetFlagStatus(pUSARTx, USART_FLAG_TXE) == RESET);
	
	/* 发送低八位 */
	USART_SendData(pUSARTx,temp_l);	
	while (USART_GetFlagStatus(pUSARTx, USART_FLAG_TXE) == RESET);	
}

///重定向c库函数printf到串口，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 */
		USART_SendData(DEBUG_USARTx, (uint8_t) ch);
		
		/* 等待发送完毕 */
		while (USART_GetFlagStatus(DEBUG_USARTx, USART_FLAG_TXE) == RESET);		
	
		return (ch);
}

///重定向c库函数scanf到串口，重写向后可使用scanf、getchar等函数
int fgetc(FILE *f)
{
		/* 等待串口输入数据 */
		while (USART_GetFlagStatus(DEBUG_USARTx, USART_FLAG_RXNE) == RESET);

		return (int)USART_ReceiveData(DEBUG_USARTx);
}

最后

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