目录一、UART 基础概念UART 核心特点USART 和 UART 的区别并行传输与串行传输异步通信与同步通信单工、半双工与全双工二、USART 在 MCU 中的应用USART 复用 GPIO波特率与比特率三、通信参数与帧格式帧格式四、USART 内部结构发送接收寄存器与地址TDR 与 RDR五、发送数据过程详细介绍六、接收数据详细介绍一、UART 基础概念UART 是什么UARTUniversal Asynchronous Receiver/Transmitter通用异步收发器是一种硬件电路用于设备之间的串行通信。所谓串行通信是指数据按位顺序逐次传输——一次传输 1 位数据可以根据需求连续发送多次。UART 核心特点串行通信数据逐位传输节省引脚资源。异步通信无需共享时钟信号双方按约定波特率收发。1 对 1 通信点对点连接结构简单。全双工通信收发可同时进行互不干扰。三个关键引脚TX发送数据TransmitRX接收数据ReceiveGND地线提供共同参考电平USART 和 UART 的区别UART 和 USART 是嵌入式串口通信中经常被混用的两个词但它们其实有明确的区别。简单说USART UART 同步通信功能UART 只能异步通信USART 既能异步也能同步。由于同步通信在实际项目中用得较少本文着重介绍 UART。并行传输与串行传输并行传输多位数据同时传输通常配合一个时钟信号。串行传输数据逐位顺序传输。串行方式在实际应用中更常用因为它稳定、线少、干扰少、简洁高效——没有其他线的干扰成本低速率也高。异步通信与同步通信同步通信主机产生时钟信号SCK/CK数据在时钟的某个边沿上升沿或下降沿变化接收方在另一个边沿采样数据可以连续不断地传输不需要起始/停止位如果数据块结束可以拉高片选CS或发送结束标志。异步通信总线空闲时保持高电平发送方拉低总线一个位时间作为起始位接收方检测到下降沿知道一帧开始了双方按约定的波特率在每位中间采样停止位高电平标志一帧结束帧与帧之间可以有任意长的空闲时间。单工、半双工与全双工单工Simplex数据只能单向传输A 只能发给 BB 不能发给 A。通信双方角色固定一个永远发一个永远收。只需要一条数据线或一对差分线。典型例子广播、电视、遥控器、打印机。优点简单、成本低缺点无法反向通信。半双工Half-Duplex数据可以双向传输但不能同时进行。同一时刻只能一方发、另一方收需要切换方向。通常只需要一条数据线或一对差分线共享。典型例子对讲机、RS-485、I2C、早期以太网集线器。优点线少、成本低缺点切换方向有延迟效率低于全双工。全双工Full-Duplex数据可以同时双向传输。收发独立互不干扰不需要切换方向。需要两条独立的数据线或两对差分线。USART 在 MCU 中的角色二、USART 在 MCU 中的应用USART 是 MCU 上的片上外设STM32 系列通常集成多个 USART 外设例如五个。也就是说通信的本质是MCU 内部的 USART 外设与外部串口设备之间进行数据交换。USART 复用 GPIOSTM32 的引脚数量有限但外设功能很多。如果每个外设都配专用引脚芯片引脚会不够用。因此STM32 采用复用Alternate Function, AF机制一个 GPIO 引脚可以有多种功能默认是普通 GPIO输入/输出通过配置可以把它切换成某个外设的功能引脚。波特率与比特率三、通信参数与帧格式比特率是每秒钟传送的比特位的个数也叫做传信率侧重点在传递有效信息的速度上单位是 bit/s。波特率表示每秒传输的符号数。一个符号可以携带 1 个比特也可以携带多个比特。如果一个符号 1 个比特 → 波特率 比特率如果一个符号 N 个比特 → 比特率 波特率 × N。在研究传输速度时通常以波特率为主。在比特率 波特率的场景中不考虑帧格式1 秒内如果全部都是低电平波特率是 10那么就是传递 10 个 0但如果波特率是 20就会被理解成 20 个 0。波特率决定了每一位每个符号在时间轴上占多宽。图中波特率 10意思是 1 秒传 10 位。那每一位占多长时间1 / 10 秒 0.1 秒 100 毫秒所以第 1 个 0持续 100 毫秒第 2 个 0持续 100 毫秒……第 10 个 0持续 100 毫秒。STM32 中USART 一般的常用波特率是 9600 Bd 或者 115200 Bd。通信双方发送和接收数据快慢的问题可以由通信双方设置相同的波特率来解决。帧格式对应接收方它怎么知道数据开始发了它怎么知道有多少个数据它怎么知道数据什么时候传递完毕了这就需要通信双方继续约定通信格式了这个格式我们叫做——帧格式。帧格式是人约定出来的相当于人让通信设备使用相同的规则通信。这个约定的通信格式也可以叫做协议。不过在单片机通信领域更喜欢叫做帧格式。下图是常见的通信帧格式空闲状态在没有数据传输时串口线路应保持逻辑高电平其实叫做逻辑 1也就是空闲状态。起始位起始位的下降沿1→0是从空闲状态进入新帧的标志。起始位逻辑低电平 0持续 1 个比特位时间具体长度由波特率决定起始位用于告知接收端一个新数据帧的开始这是接收端进行比特位同步的关键信号数据位Data BitsSTM32 中数据位个数通常可选 8 位或者 9 位最常见的是 8 位一个字节承载实际要传输的信息内容逻辑高1或逻辑低0代表数据位本身。USART 中数据 LSBLeast Significant Bit最低有效位最先发送然后是次低位依此类推最后发送 MSBMost Significant Bit最高有效位。UART 规定低位先发LSB first。也就是说发送一个字节时先从 D0 开始发最后才发 D7。校验位奇校验Odd设置校验位使得数据位和校验位中 1 的总个数为奇数偶校验Even设置校验位使得数据位和校验位中 1 的总个数为偶数。0x55 的二进制是 0101 0101。如果用偶校验要求总 1 数为偶数现在已经是 4 个偶数所以校验位填 0如果用奇校验要求总 1 数为奇数现在 4 个偶数所以校验位填 1停止位停止位表示帧的结束固定为逻辑高电平1可以配置为 1 位、会回到空闲状态。起始位需要拉低电平表征起始位。tx 输出的电平就取决于当前帧的最后一位如果当前帧传递完毕没有结束位即没有强制拉高电平此时这个高低电平都有可能。那么传递下一帧它的起始位就不能 100% 有一个拉低的动作会影响下一帧的正确开始。四、USART 内部结构下图是 USART 的整体框图可见这个 USART 的功能非常复杂。初学阶段抓住重点学习即可核心就是 USART 的复用 GPIO 功能需要 CPU 控制 USART 的寄存器如下图所示下图是MCU与USART的宏观视角单独拿出 APBx 和 USART 并简化原理图来介绍 USART 的功能发送发送数据寄存器TDR - Transmit Data Register谁写它CPU 或 DMA通过写操作即图中的 PWDATA。作用当你要发送数据时CPU 把要发的字节比如 0x55写入 TDR。它相当于一个暂存区等待被搬运到下一个环节。特点CPU 写完就可以干别的事不用一直等着。发送移位寄存器Transmit Shift Register谁写它自动从 TDR 把数据搬过来。作用一旦 TDR 有数据硬件自动把它加载到移位寄存器。然后它按波特率的节奏一位一位LSB first地把数据推出去加上起始位、校验位、停止位变成完整的帧。特点发完一帧如果 TDR 里又有新数据它会自动加载下一帧不用 CPU 插手。接收接收移位寄存器Receive Shift Register谁写它外部信号从 RX 引脚一位一位进来。作用接收方检测到起始位后按波特率的节奏一位一位地把数据收进来。每收满 8 位加校验位就自动把这一字节搬运到 RDR。同时检查停止位、校验位产生错误标志帧错误、校验错误等。接收数据寄存器RDR - Receive Data Register谁读它CPU 或 DMA通过读操作即图中的 PRDATA。作用移位寄存器凑满一字节后自动把它放到 RDR。同时置位接收数据非空标志RXNE通知 CPU 来取。CPU 读取 RDR就把数据取走了。寄存器与地址以 USART1 为例STM32F103ZET6 的 USART1 挂载在 APB2 总线上其寄存器组从基地址 0x40013800 开始共包含 7 个寄存器STM32F103ZET6 的 5 个串口USART1、USART2、USART3、UART4、UART5基地址和地址范围如下TDR 与 RDR在物理上USART_DR 寄存器有两个一个是 TDR一个是 RDR分别让用户来发送和接收数据。这两个寄存器被映射到了同一个物理地址官方没有披露具体是怎么做到访问同一个地址、从而访问不同寄存器的。我们可以推测是通过操作类型rw来区分要访问哪一个寄存器。PWDATAPeripheral Write Data写数据线。PRDATAPeripheral Read Data读数据线。在 APB 总线协议中读写数据线在物理上是分开的。同时总线还会发出一个读写控制信号PWRITE。五、发送数据过程详细介绍这里还要介绍下状态寄存器。要发送数据首次 CPU 向 TDR 写入数据TDR 将数据传递给发送移位寄存器这就引出了状态寄存器。如果我要发送多个数据帧第二个数据帧什么时候写入 TDR 是个问题第二个数据帧写入 TDR 之后什么时候写入发送移位寄存器也是个问题这些都由状态寄存器决定。TXE发送数据寄存器空Transmit data register empty当 TDR 寄存器中的数据被硬件转移到移位寄存器的时候该位被硬件置位。如果 USART_CR1 寄存器中的 TXEIE 为 1则产生中断。对 USART_DR 的写操作将该位清零。0数据还没有被转移到移位寄存器1数据已经被转移到移位寄存器。TC发送完成Transmission complete当包含有数据的一帧发送完成后并且 TXE1 时由硬件将该位置 1。如果 USART_CR1 中的 TCIE 为 1则产生中断。由软件序列清除该位先读 USART_SR然后写入 USART_DR。TC 位也可以通过写入 0 来清除只有在多缓存通讯中才推荐这种清除程序。0发送还未完成1发送完成。阻塞模式发送阻塞就是 CPU 卡在 while 循环里出不来。CPU 想发一个字节但 TDR 还没空TXE0硬件忙不过来。CPU 就只能在循环里一直问TXE 变成 1 了吗变了吗直到 TXE1CPU 才写数据然后继续干别的事。这个一直问的过程就是阻塞。六、接收数据详细介绍同理接收数据也需要状态寄存器来显示状态。RXNE读数据寄存器非空Read data register not empty当 RDR 移位寄存器中的数据被转移到 USART_DR 寄存器中该位被硬件置位。如果 USART_CR1 寄存器中的 RXNEIE 为 1则产生中断。对 USART_DR 的读操作可以将该位清零。RXNE 位也可以通过写入 0 来清除只有在多缓存通讯中才推荐这种清除程序。0数据没有收到1收到数据可以读出。阻塞式接收数据阻塞就是 CPU 卡在 while 循环里出不来。CPU 想收一个字节但 RDR 还没收到数据RXNE0硬件还没收到货。CPU 就只能在循环里一直问RXNE 变成 1 了吗变了吗直到 RXNE1CPU 才读数据然后继续干别的事。