4.STM32F40x 串口通信(文中以USART1为例子)
一、USART概念内容
串口通信是一种通过串行接口进行数据传输的通信方式。在串口通信中，数据是以位的形式逐个传输的，通常使用RS-232、RS-485、USB等接口标准。串口通信可以用于连接计算机和外部设备、嵌入式系统之间的通信，常见的应用包括串口打印机、串口调制解调器、串口通信设备等。串口通信的优点是传输距离远、成本低、稳定可靠，但传输速度相对较慢。
通用同步异步收发器(USART)能够灵活地与外部设备进行全双工数据交换，满足外部设备对工业标准NRZ异步串行数据格式的要求。USART通过小数波特率发生器提供了多种波特率。
它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。通过配置多个缓冲区使用DMA可实现高速数据通信。
二、USART主要特性
1. 异步或同步传输：USART可以以异步模式或同步模式进行数据传输。异步传输使用起始位和停止位确定数据帧的开始和结束，而同步传输使用外部时钟信号进行同步。
2. 支持多种数据格式：USART支持多种数据格式，包括数据位数（通常为8位）、校验位（奇偶校验或无校验）和停止位数（通常为1位或2位）的配置。
3. 双工通信：USART支持全双工通信，可以同时进行数据的发送和接收。
4. 可编程波特率：USART允许用户根据需要设置波特率，以适应不同的通信速率要求。
5. 中断支持：USART提供中断功能，可以在数据接收或发送完成时触发中断，以便及时处理数据。
6. 多个通信模式：USART可以配置为主模式或从模式。在主模式下，USART可以控制通信的时序和流程，而在从模式下，USART将根据外部设备的控制进行通信。
7. 缓冲器支持：USART通常具有接收和发送缓冲器，用于存储接收到的数据和待发送的数据。
8. 硬件流控制：一些USART支持硬件流控制功能，包括使用RTS（请求发送）和CTS（清除发送）信号进行数据流控制。
三、USART功能说明
接口通过三个引脚从外部连接到其他设备(请参见USART框图)。任何USART双向通信均需要至少两个引脚：接收数据输入引脚(RX)和发送数据输出引脚(TX)。
RX：接受数据输入引脚是指串行数据输入引脚。过采样技术可区分有效输入数据和噪声，从而用于恢复数据。
TX：发送数据输出引脚，如果关闭发送器，该输出引脚模式由其I/O端口决定。如果使能了发送器但没有待发送数据，则TX引脚处于高电平。在单线和智能卡模式下，该I/O用于发送和接收数据(USART电平下，随后在SW_RX上接收数据)。
USART框图如下：
四、USART字符说明
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(请参见USART字符框图)。TX引脚在起始位工作期间处于低电平状态。在停止位工作期间处于高电平状态。
空闲字符可理解为整个帧周期内电平均为“1”（停止位的电平也是“1”)，该字符后是下一个数据帧的起始位。
停止字符可理解为在一个帧周期内接收到的电平均为“O”。发送器在中断帧的末尾插入1或2个停止位（逻辑“1”位)以确认起始位。
发送和接收由通用波特率发生器驱动，发送器和接收器的使能位分别置1时将生成相应的发送时钟和接收时钟。
USART字符框图如下所示：
五、USART可配置停止位
可以在控制寄存器⒉的位13和位12中编程将随各个字符发送的停止位的数量。
1个停止位。这是停止位数量的默认值。
2个停止位。正常USART模式、单线模式和调制解调器模式支持该值。
0.5个停止位。在智能卡模式下接收数据时使用。
1.5个停止位。在智能卡模式下发送和接收数据时使用。
空闲帧发送将包括停止位。
m=0时，中断发送是10个低电平位，然后是已配置数量的停止位;m=1时，中断发送是11个低电平位，然后是已配置数量的停止位。无法传送长中断（中断长度大于10/11个低电平位)。
USART可配置的停止位框图如下：
六、USART 中断
USART中断请求框图如下：
USART中断事件被连接到相同的中断向量（请参见USART中断映射图)。
发送期间:发送完成、清除以发送或发送数据寄存器为空中断。
接收期间:空闲线路检测、上溢错误、接收数据寄存器不为空、奇偶校验错误、LIN断路检测、噪声标志（仅限多缓冲区通信）和帧错误（仅限多缓冲区通信) 如果相应的使能控制位置1，则这些事件会生成中断。USART中断映射图如下所示：
七、USART模式配置图
八、USART复用功能图
九、配置USART函数
1.开启串口时钟和GPIO时钟使能
RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_USART1,ENABLE);//使能USART1时钟
RCC_AHB1PeriphClockCmd(RCC_AHB1Periph_GPIOA,ENABLE); //使能GPIOA时钟2. GPIO端口模式设置
GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_9 | GPIO_Pin_10; //GPIOA9与GPIOA10 GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_AF; //复用模式
GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz; //速度50MHz
GPIO_InitStructure.GPIO_OType = GPIO_OType_PP; //推挽复用输出
GPIO_InitStructure.GPIO_PuPd = GPIO_PuPd_UP; //上拉
GPIO_Init(GPIOA,&GPIO_InitStructure); //初始化PA9，PA103.PA9和PA10要设置为复用功能
GPIO_PinAFConfig(GPIOA,GPIO_PinSource9,GPIO_AF_USART1); //PA9复用为USART1
GPIO_PinAFConfig(GPIOA,GPIO_PinSource10,GPIO_AF_USART1);//PA10复用为USART14. 串口参数初始化：设置波特率，字长，奇偶校验等参数
串口初始化是调用函数USART_Init来实现，各个参数配置如下：
USART_InitStructure.USART_BaudRate = bound;//一般设置为9600;
USART_InitStructure.USART_WordLength = USART_WordLength_8b;//字长为8位数据
USART_InitStructure.USART_StopBits = USART_StopBits_1;//一个停止位USART_InitStructure.USART_Parity = USART_Parity_No;//无奇偶校验位
USART_InitStructure.USART_HardwareFlowControl = USART_HardwareFlowControl_None;
USART_InitStructure.USART_Mode = USART_Mode_Rx | USART_Mode_Tx;//收发模式USART_Init(USART1, &USART_InitStructure); //初始化串口5. 使能串口
USART_Cmd(USART1, ENABLE); //使能串口6. 串口数据发送与接收函数
（1）数据发送函数
void USART_SendData(USART_TypeDef* USARTx, uint16_t Data);（2）数据接收函数
uint16_t USART_ReceiveData(USART_TypeDef* USARTx);7. 串口状态
（1）读取串口状态的函数是：
FlagStatus USART_GetFlagStatus(USART_TypeDef*USARTx, uint16_t USART_FLAG)；（2）判断读寄存器是否非空(RXNE)
USART_GetFlagStatus(USART1,USART_FLAG_RXNE);（3）判断发送是否完成(TC)
USART_GetFlagStatus(USART1,USART_FLAG_TC);8. 开启中断并且初始化NVIC，使能相应中断
NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannel = USART1_IRQn;
NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelPreemptionPriority=3;//抢占优先级3
NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelSubPriority =3; //响应优先级3
NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelCmd = ENABLE; //IRQ通道使能
NVIC_Init(&NVIC_InitStructure);//根据指定的参数初始化VIC寄存器同时，我们还需要使能相应中断,使能串口中断的函数原型是：
void USART_ITConfig(USART_TypeDef*USARTx,uint16_t USART_IT,FunctionalState NewState);接收到数据的时候（RXNE读数据寄存器非空），我们要产生中断时函数为：
USART_ITConfig(USART1, USART_IT_RXNE, ENABLE);//开启中断，接收到数据中断发送数据结束的时候（TC，发送完成）要产生中断：
USART_ITConfig(USART1，USART_IT_TC，ENABLE);9. 获取相应中断状态
使用的函数是
ITStatus USART_GetITStatus(USART_TypeDef* USARTx, uint16_t USART_IT);调用这个函数来判断到底是否是串口发送完成中断：
USART_GetITStatus(USART1, USART_IT_TC);10. 中断服务函数
void USART1_IRQHandler(void);十、代码汇总
1.usart1.c
#include "usart.h"
/*****加入以下代码,支持printf函数,而不需要选择use MicroLIB*****/
#if 1
#pragma import(__use_no_semihosting)
//标准库需要的支持函数
struct __FILE
{
int handle;
};
FILE __stdout;
//定义_sys_exit()以避免使用半主机模式
void _sys_exit(int x)
{
x = x;
}
void _ttywrch(int ch)
{
ch = ch;
}
//重定义fputc函数
int fputc(int ch, FILE *f)
{
while(USART_GetFlagStatus(USART1, USART_FLAG_TC) == RESET);
USART_SendData(USART1, ch);
return ch;
}
/**********************printf support end**********************/
#endif
void USART1_Init(u32 bound){
RCC_AHB1PeriphClockCmd(RCC_AHB1Periph_GPIOA,ENABLE); //使能A口时钟--RCC
RCC_APB2PeriphClockCmd( RCC_APB2Periph_USART1 , ENABLE ); //初始化串口1的时钟--RCC
//初始化引脚PA9/10--复用推挽输出--GPIO
GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStruct={0};
GPIO_InitStruct.GPIO_Mode = GPIO_Mode_AF; //复用
GPIO_InitStruct.GPIO_OType = GPIO_OType_PP; //推挽
GPIO_InitStruct.GPIO_Pin = GPIO_Pin_9|GPIO_Pin_10;//引脚
GPIO_InitStruct.GPIO_PuPd = GPIO_PuPd_UP; //上拉
GPIO_InitStruct.GPIO_Speed = GPIO_Medium_Speed;//25MHZ翻转速度
GPIO_Init( GPIOA, &GPIO_InitStruct);
//引脚映射USART1上--GPIO
GPIO_PinAFConfig( GPIOA, GPIO_PinSource9, GPIO_AF_USART1);
GPIO_PinAFConfig( GPIOA, GPIO_PinSource10, GPIO_AF_USART1);
//初始化串口：--USART
USART_InitTypeDef USART_InitStruct={0};
USART_InitStructure.USART_BaudRate = bound;//一般设置为9600;
USART_InitStructure.USART_WordLength = USART_WordLength_8b;//字长为8位数据
USART_InitStructure.USART_StopBits = USART_StopBits_1;//一个停止位
USART_InitStructure.USART_Parity = USART_Parity_No;//无奇偶校验位
USART_InitStructure.USART_HardwareFlowControl = USART_HardwareFlowControl_None;
USART_InitStructure.USART_Mode = USART_Mode_Rx | USART_Mode_Tx;//收发模式
USART_Init(USART1, &USART_InitStructure); //初始化串口
//配置中断--USART
USART_ITConfig(USART1, USART_IT_RXNE, ENABLE); //使能串口1的接收中断
USART_ITConfig(USART1, USART_IT_IDLE, ENABLE); //使能串口1的空闲中断
//配置NVIC--MISC
NVIC_InitTypeDef NVIC_InitStruct = {0};
NVIC_InitStruct.NVIC_IRQChannel = USART1_IRQn; //37主控芯片头文件stm32f4xx.h
NVIC_InitStruct.NVIC_IRQChannelCmd = ENABLE; //开启串口1的中断
NVIC_InitStruct.NVIC_IRQChannelPreemptionPriority = 3; // 优先级 默认
NVIC_InitStruct.NVIC_IRQChannelSubPriority = 3; // 响应
NVIC_Init(&NVIC_InitStruct);
//开启串口CMD--USART
USART_Cmd(USART1, ENABLE);
}
//发送--先等待前一个发送完成，再发送下一个 -- USART
void Usart1_Send(char ch)//发送一个字节函数{
while( USART_GetFlagStatus( USART1, USART_FLAG_TC ) != SET )//死等发送完成
{
;
}
USART_SendData(USART1, ch);//发送一个字节
}
//接收--先等接收完成，返回接收数据 -- USART
char Usart1_Receive(void){
char ch=0;
while( USART_GetFlagStatus( USART1, USART_FLAG_RXNE ) != SET )//死等接收完成
{
;
}
ch=USART_ReceiveData( USART1 );
return ch;
}
Usart1struct Usart1dat={0};
//中断服务函数--启动文件（.s--CMSIS）无返回值,无形参 //0 0011 0000 1 1帧 '0'
void USART1_IRQHandler(void){
//判断是谁产生的中断--USART
if(USART_GetITStatus(USART1, USART_IT_RXNE)== SET){
Usart1dat.Usart1_Rbuf[Usart1dat.Usart1_Rlen++] = USART_ReceiveData( USART1 );
if(Usart1dat.Usart1_Rlen >=256) Usart1dat.Usart1_Rlen = 0;
}
if(USART_GetITStatus(USART1, USART_IT_IDLE)== SET){ //空闲中断接收完成
Usart1dat.Usart1_Rbuf[Usart1dat.Usart1_Rlen] = '\0'; //变成字符串
Usart1dat.Usart1_Rflag = 1; //接收完成标记位置1
USART_ReceiveData(USART1); // 清除空闲中断标志
}
}
2.usart1.h
#ifndef USART_H
#define USART_H
#include "stm32f4xx.h"
#include "stdio.h"
typedef struct{
char Usart1_Rbuf[256];
int Usart1_Rlen;
char Usart1_Rflag;
}Usart1struct;
extern Usart1struct Usart1dat;
void USART1_Init(u32 bound);
void Usart1_Send(char ch);
char Usart1_Receive(void);
#endif
3.main.c
#include "systick.h"
#include "usart.h"
#include "string.h"
#include "led.h"
int main(){
SsyTick_Init(168); //延时初始化
LED_Init(); // LED初始化
UASRT1_Init(9600);
printf("我已进入程序，请启动吧!\r\n");
while(1){
printf("已启动，请输入数据吧!\r\n");
if(Usart1dat.Usart1_Rflag == 1){
printf("%s\r\n",Usart1dat.Usart1_Rbuf);
if(strcmp(Usart1dat.Usart1_Rbuf, "ledlon") == 0{
LED1 = 0; // 输出低电平，亮灯
}
else if(strcmp(Usart1dat.Usart1_Rbuf, "ledoff") == 0){
LED1 = 1; //灭灯
}
}
}
}
十一、重写printf底层函数fputc，让printf映射到串口上
所以我直接使用下面代码，/*****加入以下代码,支持printf函数,而不需要选择use MicroLIB*****/
#if 1
#pragma import(__use_no_semihosting)
//标准库需要的支持函数
struct __FILE
{
int handle;
};
FILE __stdout;
//定义_sys_exit()以避免使用半主机模式
void _sys_exit(int x)
{
x = x;
}
void _ttywrch(int ch)
{
ch = ch;
}
//重定义fputc函数
int fputc(int ch, FILE *f)
{
while(USART_GetFlagStatus(USART1, USART_FLAG_TC) == RESET);
USART_SendData(USART1, ch);
return ch;
}
/**********************printf support end**********************/
#endif十二、中断服务函数简单说明
中断服务函数是在相应的中断事件发生时由系统自动调用的函数。上面usart1.c中给出的函数USART1_IRQHandler是用于处理USART1的中断事件的中断服务函数。函数声明中void表示该函数不返回任何值。
十三、NVIC中断补充
程序优先处理部分，通过优先级排序
1、优先级
中断会打断主循环的代码，那如果多个中断同时发生呢？这时候就需要一个东西来约定—>优先级 M4 ---3种
优先级分为三种：（数字越小越高）比如： 1和5 1的优先级比5高
（1）自然优先级（普通会员）----天生的
ST工程师设定的优先级，不可修改。 给了固定的标号
A（自然优先级45）< B（自然优先级40）
（2）响应优先级（VIP会员）----可以修改
用户自定义的优先级
A（响应优先级2）> B（响应优先级3），C（响应优先级为1）
假设事件A和事件B同时发生，管理员（NVIC）通知内核优先处理事件A，如果这个时候事件C发送了，那么处理完事件A后先处理事件C，最后再处理事件B。
//不打断正在发生的中断事件，后续中断事件都需按优先级进行排队
（3）抢占优先级（SVIP会员，—>专属客户）----可以修改
用户自定义的优先级，抢占优先级 > 响应优先级
A （抢占优先级2）> B（抢占优先级4）, C（抢占优先级为1）
在处理事件A的过程中，发生了事件B，这个时候事件A不会被打断。如果这个时候发送了事件C，那么事件A将会被打断，优先执行事件C。
//会打断正在发生的中断事件，后续中断事件都需按优先级进行排队
如果抢占优先级一样呢？对比响应优先级，如果响应优先级还是一样呢？对比自然优先级，自然优先级必然是不一样的。
2、优先级分组 抢占 响应优先级 最多能设置多少呢？
NVIC控制器的优先级使用8个二进制位表示，分成两部分表示，分别是抢占优先级和响应优先级（也称子优先级），这8个比特位用于设置中断源的优先级，可以有8种分配方式。Cortex-M允许具有较少中断源时使用较少的寄存器位指定中断源的优先级，但是最少不能低于3位。ST的工程师在设计的时候只用了四个位，这四个位可以分成5组不同的组合 11 11
第0组：所有4位用于指定响应优先级，无抢占优先级。 0~15=16种
第1组：最高1位用于指定抢占优先级，最低3位用于指定响应优先级。
第2组：最高2位用于指定抢占优先级，最低2位用于指定响应优先级。 4 4
第3组：最高3位用于指定抢占优先级，最低1位用于指定响应优先级。 8 2
第4组：最高4位用于指定抢占优先级，无响应优先级。
注：系统复位后默认组0
十四、总结
在学习USART串口通信需要理解基本概念、掌握配置和初始化、熟悉数据收发和中断处理，并在实际应用中进行调试和验证。通过不断的学习和实践，可以掌握USART串口通信并应用于嵌入式系统和通信设备中。
注意：本人所写文章均用于记录自己的学习过程！！！