九、2 USART串口外设

1、STM32内部的USART外设的介绍

（1）

STM32的USART的同步模式只是多了个时钟输出，只支持时钟输出，不支持时钟输入。该同步模式更多是为了兼容别的协议或者特殊用途而设计的，并不支持两个USART之间进行同步通信，学习串口主要还是异步通信。

（2）USART大致可分为发送和接收两部分

①发送部分：将数据寄存器的一个字节数据自动转换为协议规定的波形，从TX引脚发送出去。

②接收部分：自动接收RX引脚的波形，按照协议规定，解码为一个字节数据，存放在数据寄存器里。

（这是USART电路的功能，当配置好了USART电路，直接读写数据寄存器，就能自动发送和接收数据了）

（3）波特率发送器

用来配置波特率，其实就是一个分频器（如 APB2总线给个72MHz的频率，然后波特率发生器进行分频，得到想要的波特率时钟，最后在这个时钟下，进行收发，就是我们指定的通信波特率）

（4）串口常用参数

波特率常用9600或115200

数据位8位，停止位1位，无校验

（5）

①支持同步模式：多了个时钟CLK的输出；

②硬件流控制：如A设备的TX向B设备的RX发送数据，

A设备一直在发，发得太快了，B处理不过来，如果没有硬件流控制，B就只能抛弃新的数据或覆盖原数据，如果有硬件流控制，在硬件电路上，会多出一根线，如果B没准备好，就置高电平，如果准备好了，就置低电平，A接收到B反馈的准备信号，就会在B准备好的时候才发数据

（可防止因为B处理慢而导致数据丢失问题）（一般不用）

③DMA：这个串口支持DMA进行数据转运，如果有大量数据进行收发，可使用DMA数据转运数据，减轻CPU的负担；

④智能卡；

IrDA：用于红外通信，红外通信就是一个红外发光管，另一边是红外接收管，然后靠闪烁红外光通信（不是遥控器的红外通信，并不能模拟遥控器）；

LIN：局域网的通信协议；

（6）

STM32F103C8T6 USART资源：USART1、USART2、USART3（总共3个独立的USART外设，可以挂载很多串口设备。

USART1是APB2总线上的设备，剩下的都是APB1总线的设备，开启时钟的时候注意一下

2、USART框图

（1）发送数据寄存器（TDR）和发送移位寄存器的工作流程

若在某时刻给TDR写入了 0x55 这个数据，在寄存器里就是二进制存储 0101 0101，此时硬件检测到写入了数据，并进行检查当前移位寄存器是否有数据正在移位，如果没有，这个 0101 0101就会立刻全部移动到发送移位寄存器，准备发送。当数据从TDR移动到移位寄存器时，会置一个标志位，叫TXE（TX Empty）发送寄存器空，我们检查这个标志位，如果置1，我们就可以在TDR写入下一个数据了（当TXE标志位置1时，数据其实还没有发送出去，只要数据从TDR转移到发送移位寄存器，TXE就会置1，我们就可以写入新的数据了。）然后发送移位寄存器就会在发送器控制（用来控制发送移位寄存器的工作）的驱动下向右移位，然后一位一位地把数据输出到TX引脚，当数据移位完成后，新的数据就会再次自动地从TDR转移到发送移位寄存器里。如果当前移位寄存器还没有完成，TDR的数据就会进行等待，一旦移位完成，就会立刻转移过来。

TDR和移位寄存器的双重缓存，可以保证连续发送数据的时候，数据帧之间不会有空闲，提高了工作效率

（2）接收端

数据从RX引脚通向接收移位寄存器，在接收器控制（用来控制接收移位寄存器的工作）的驱动下，一位一位地读取RX电平，先放在最高位，然后向右移，移位8次后，就能接收一个字节了。因为串口协议规定低位先行，所以接收移位寄存器是从高位往低位方向移动的，之后当一个字节移位完成后，这一个字节的数据就会整体地一下子转移到接收数据寄存器RDR中，在转移的过程中，也会置一个标志位，叫RXNE（RX Not Empty）接收数据寄存器非空，当检测到RXNE置1后，就可以把数据读走了。

当数据从移位寄存器转移到RDR时，就可以直接移位接收下一帧数据了。

（3）硬件数据流控

硬件流控制，简称流控。

nRTS（Request To Send）请求发送，是输出脚，告诉别人我当前能不能接收（对方能不能发送）；

nCTS（Clear To Send）是清除发送，是输入脚，用于接收别人nRTS的信号（前面加个n意思是低电平有效）

流控的工作模式：

如：另一个支持流控的串口，它的TX接到我的RX上，然后我的RTS要输出一个能不能接收的反馈信号，接到对方的CTS，当我能接收时，RTS就置低电平，请求对方发送，对方的CTS接收到之后，就可以一直发送。

当我处理不过来时，比如接收数据寄存器我一直没有读，又有新的数据过来了，现在就代表我没有及时处理，RTS就会置高电平，对方CTS接收到之后，就会暂停发送，直到接收数据寄存器里的数据被读走，RTS置低电平，新的数据才会继续发送。

反过来，当我的TX给对方发送数据时，我的CTS就要接到对方的RTS，用于判断对方能不能接收。

TX和CTS是一对的，RX和RTS是一对的，CTS和RTS也要交叉连接

（4）SCLK

这部分电路用于产生同步的时钟信号，只支持输出，不支持输入，因此两个USART之间，不能实现同步的串口通信

配合发送移位寄存器输出，发送寄存器每移位一次，同步时钟电平就跳变一个周期，时钟告诉对方，我移出去一位数据了。

该时钟信号用途：

①可兼容别的协议，如串口加上时钟后，就跟SPI协议特别像，所以有了时钟输出的串口，就可以兼容SPI；

②也可做自适应波特率，如接收设备不确定发送设备给的是什么波特率，那就可以测量一下这个时钟的周期，然后再计算得到波特率（需要另外写程序来实现这个功能）（一般不用）

（5）唤醒单元：实现串口挂载多设备

串口一般是点对点的通信（只支持连个设备互相通信），而多设备在一条总线上可以接多个从设备，每个设备分配一个地址，想跟某个设备通信，就先进行寻址，确定通信对象，再进行数据收发。

当发送指定的串口的地址时，此设备唤醒开始工作，当发送别的设备地址时，别的设备就被唤醒工作。（一般不用）

（6）中断输出控制：配置中断是不是能通向NVIC

TXE：发送寄存器空；

RXNE：接收寄存器非空

这两个是判断发送状态和接收状态的必要标志位

（7）波特率发生器：其实就是分频器

APB时钟进行分频，得到发送和接收移位的时钟

fPCLKx（x=1或2）

USART1挂载在APB2，所以就是PCLK2的时钟，一般是72M；

其他的USART都挂载在APB1，所以是PCLK1的时钟，一般是36M

之后这个时钟进行分频，除以一个USARTDIV的分频系数，分频完后，再除以16，得到发生器时钟和接收器时钟，通向控制部分

TE（TX Enable）为1，发送器使能，发送部分的波特率就有效；

若RE（RX Enable）为1，接收器使能，接收部分的波特率就有效

3、串口的引脚

4、USART基本结构

最左边是波特率发生器，用于产生约定的通信速率，时钟来源是PCLK2或1，经过波特率发器分频后产生的时钟通向发送控制器和接收控制器，发送控制器和接收控制器用来控制发送移位和接收移位。

之后由发送数据寄存器和发送移位寄存器这两个寄存器的配合，将数据一位一位的移出去。通过GPIO口的复用输出，输出到TX引脚，产生串口协议规定的波形。

当数据由数据寄存器移位到移位寄存器时，会置一个TXE的标志位，我们判断这个标志位就可以知道是不是可以写下的数据了。

接收部分也是类似的，RX引脚的波形通过GPIO口输入，在接收控制器的控制下。一位一位地移入接收移位寄存器，移完一帧数据后，数据就会统一转运到接收数据寄存器，在转移的同时置一个RXNE标志位，我们检查这个标志位就可以知道是不是收到数据了。同时这个标志位也可以去申请中断，这样就可以在收到数据时，直接进入中断函数，然后快速地读取和保存数据。

注意：右边实际上有四个寄存器，但在软件层面，只有一个DR寄存器可以供我们读写，写入DR时，数据走上面的路进行发送；读取DR时，数据走下面的路进行接收。