STM32F407-串口学习1（UART协议简介）

一、前言

1、简介

　　写的这篇博客，是为了学习UART通信协议，以及UART能够实现的一些功能，还有有关使用STM32CubeMX来配置芯片的一些操作，在后面我会以我使用的STM32F407开发板来举例讲解（其他STM32系列芯片大多数都可以按照这些步骤来操作的），如有不足请多多指教。

2、UART简介

　　嵌入式开发中，UART串口通信协议是我们常用的通信协议（UART、I2C、SPI等）之一，全称叫做通用异步收发传输器（Universal Asynchronous Receiver/Transmitter）。只要是stm32的开发板都可以用到的，在STM32CubeMx里选对型号、配置好就行了。工作原理是将传输的数据一位接一位的传输，它能将要传输的资料在串行通信与并行通信之间加以转换，能够灵活地与外部设备进行全双工数据交换。

传输检测标志：
— 接收缓冲区已满
— 发送缓冲区为空
— 传输结束标志

二、UART通信协议

一般的单片机UART和USART使用方式是一样的，都使用异步模式（依靠启动位和停止位来同步数据）。

1）起始位

　　当未有数据发送时，数据线处于逻辑“1”状态；先发出一个逻辑“0”信号，表示开始传输字符。

2）数据位

　　紧接着起始位之后。资料位的个数可以是4、5、6、7、8等，构成一个字符。通常采用ASCII码。从最低位开始传送，靠时钟定位。

3）奇偶校验位

　　资料为加上这一位后，使得“1”的位数应为偶数（偶校验）或奇数（奇校验），以此来校验资料传送的正确性。

4）停止位

　　它是一个字符数据的结束标志。可以是1位、1.5位、2位的高电平。由于数据是在传输线上定时的，并且每一个设备有其自己的时钟，很可能在通信中两台设备间出现了小小的不同步。因此停止位不仅仅是表示传输的结束，并且提供计算机校正时钟同步的机会。适用于停止位的位数越多，不同时钟同步的容忍程度越大，但是数据传输率同时也越慢。

5）空闲位或起始位

　　处于逻辑“1”状态，表示当前线路上没有资料传送，进入空闲状态。

　　处于逻辑“0”状态，表示开始传送下一数据段。

6）波特率

　　表示每秒钟传送的码元符号的个数，是衡量数据传送速率的指标，它用单位时间内载波调制状态改变的次数来表示。

　　常用的波特率有：9600、115200……

　　时间间隔计算：1秒除以波特率得出的时间，例如，波特率为9600的时间间隔为1s / 9600（波特率） = 104us。

三、UART工作原理

1）数据收发原理：

发送时，数据首先被写入发送数据寄存器FIFO中，如果UART被使能，则会按照预先设置好的参数（启动位、数据位、校验位、停止位）发送数据到发送移位寄存器中，直到发送数据寄存器FIFO的数据发送完成。一旦向发送数据寄存器中写数据，UART的BUSY位开始有效，BUSY 位仅在发送数据寄存器FIFO 为空，且已从发送移位寄存器发送最后一个字符，包括停止位时才变无效。

在UART 接收器空闲时，如果数据输入变成“低电平”，即接收到了起始位，则接收计数器开始运行，并且数据在Baud16 的第8 个周期被采样。如果Rx 在Baud16 的第8 周期仍然为低电平，则起始位有效，否则会被认为是错误的起始位并将其忽略。

如果起始位有效，则根据数据字符被编程的长度，在 Baud16 的每第 16 个周期（即一个位周期之后）对连续的数据位进行采样。如果奇偶校验模式使能，则还会检测奇偶校验位。

　最后，如果Rx 为高电平，则有效的停止位被确认，否则发生帧错误。当接收到一个完整的字符时，将数据存放在接收FIFO 中。

USART框图如下：

2）中断控制

　　出现以下情况时，可使UART 产生中断：

FIFO 溢出错误
线中止错误（line-break，即Rx 信号一直为0 的状态，包括校验位和停止位在内）
奇偶校验错误
帧错误（停止位不为1）
接收超时（接收FIFO 已有数据但未满，而后续数据长时间不来）
发送
接收

　　由于所有中断事件在发送到中断控制器之前会一起进行“或运算”操作，所以任意时刻 UART 只能向中断产生一个中断请求。通过查询中断状态函数，软件可以在同一个中断服务函数里处理多个中断事件（多个并列的if 语句）。

3）FIFO 操作

　　FIFO 是“First-In First-Out”的缩写，意为“先进先出”，是一种常见的队列操作。 Stellaris 系列ARM 的UART 模块包含有2 个16 字节的FIFO：一个用于发送，另一个用于接收。可以将两个FIFO 分别配置为以不同深度触发中断。可供选择的配置包括：1/8、 1/4、1/2、3/4 和7/8 深度。例如，如果接收FIFO 选择1/4，则在UART 接收到4 个数据时产生接收中断。

　　发送FIFO的基本工作过程： 只要有数据填充到发送FIFO 里，就会立即启动发送过程。由于发送本身是个相对缓慢的过程，因此在发送的同时其它需要发送的数据还可以继续填充到发送 FIFO 里。当发送 FIFO 被填满时就不能再继续填充了，否则会造成数据丢失，此时只能等待。这个等待并不会很久，以9600 的波特率为例，等待出现一个空位的时间在1ms 上下。发送 FIFO 会按照填入数据的先后顺序把数据一个个发送出去，直到发送 FIFO 全空时为止。已发送完毕的数据会被自动清除，在发送FIFO 里同时会多出一个空位。

　　接收FIFO的基本工作过程： 当硬件逻辑接收到数据时，就会往接收FIFO 里填充接收到的数据。程序应当及时取走这些数据，数据被取走也是在接收FIFO 里被自动删除的过程，因此在接收 FIFO 里同时会多出一个空位。如果在接收 FIFO 里的数据未被及时取走而造成接收FIFO 已满，则以后再接收到数据时因无空位可以填充而造成数据丢失。

　　收发FIFO 主要是为了解决UART 收发中断过于频繁而导致CPU 效率不高的问题而引入的。在进行 UART 通信时，中断方式比轮询方式要简便且效率高。但是，如果没有收发 FIFO，则每收发一个数据都要中断处理一次，效率仍然不够高。如果有了收发FIFO，则可以在连续收发若干个数据（可多至14 个）后才产生一次中断然后一并处理，这就大大提高了收发效率。

　　完全不必要担心FIFO 机制可能带来的数据丢失或得不到及时处理的问题，因为它已经帮你想到了收发过程中存在的任何问题，只要在初始化配置UART 后，就可以放心收发了， FIFO 和中断例程会自动搞定一切。

4）回环操作

　　UART 可以进入一个内部回环（Loopback）模式，用于诊断或调试。在回环模式下，从Tx 上发送的数据将被Rx 输入端接收。

四、CubeMx配置

说明：

　　在使用STM32CubeMx配置的时候，首先要选择正在使用的芯片的型号，再配置芯片的时钟，然后才去配置所需要用到的功能。

1、新建项目

1）选择新建

2）选择芯片型号

2、时钟配置

1）配置界面

2）时钟模式配置

3）设置调试接口

4）时钟配置（尽量将下面方框内的值设成最高值即可）

3、功能配置

1）启用串口

2）配置串口（默认即可，波特率为115200）

4、生成工程

1）项目信息设置

2）选择生成必要的代码

3）生成代码

4）打开项目（生成代码成功后会弹出窗口，可以直接打开工程）

注：

　　因为STM32CubeMX自动生成的代码中，没有设置把每次下载烧写都重置一下，所以生成代码后，我们需要自己选上该功能，步骤如下：

1）功能界面

2）选择小锤子

3）选择Debug->Settings

4）选择Flash Download->勾选Reset and Run

　　完成上面的操作后，在每次烧写都会重置，并运行新下载烧写的程序了。

五、HAL库关键函数说明

1、初始化/还原初始化函数

1 /* Initialization/de-initialization functions  **********************************/
2 HAL_StatusTypeDef HAL_UART_Init(UART_HandleTypeDef *huart);                                                    //根据UART_InitTypeDef中指定的参数初始化UART模式，并创建关联的句柄。
3 HAL_StatusTypeDef HAL_HalfDuplex_Init(UART_HandleTypeDef *huart);                                              //根据UART_InitTypeDef中指定的参数初始化半双工模式并创建关联句柄。
4 HAL_StatusTypeDef HAL_LIN_Init(UART_HandleTypeDef *huart, uint32_t BreakDetectLength);                         //根据UART_InitTypeDef中指定的参数初始化LIN模式，并创建关联的句柄。
5 HAL_StatusTypeDef HAL_MultiProcessor_Init(UART_HandleTypeDef *huart, uint8_t Address, uint32_t WakeUpMethod);  //根据UART_InitTypeDef中指定的参数初始化多处理器模式，并创建关联的句柄。
6 HAL_StatusTypeDef HAL_UART_DeInit(UART_HandleTypeDef *huart);                                                  //非初始化UART外围设备。
7 void HAL_UART_MspInit(UART_HandleTypeDef *huart);                                                              //弱函数UART MSP初始化
8 void HAL_UART_MspDeInit(UART_HandleTypeDef *huart);                                                            //弱函数UART MSP初始化还原

2、IO口操作函数

 1 /* IO operation functions *******************************************************/
 2 HAL_StatusTypeDef HAL_UART_Transmit(UART_HandleTypeDef *huart, uint8_t *pData, uint16_t Size, uint32_t Timeout);//以阻塞模式发送大量数据。
 3 HAL_StatusTypeDef HAL_UART_Receive(UART_HandleTypeDef *huart, uint8_t *pData, uint16_t Size, uint32_t Timeout); //在阻塞模式下接收大量数据。
 4 HAL_StatusTypeDef HAL_UART_Transmit_IT(UART_HandleTypeDef *huart, uint8_t *pData, uint16_t Size);               //以非阻塞模式发送大量数据。
 5 HAL_StatusTypeDef HAL_UART_Receive_IT(UART_HandleTypeDef *huart, uint8_t *pData, uint16_t Size);                //在非阻塞模式下接收大量数据。
 6 HAL_StatusTypeDef HAL_UART_Transmit_DMA(UART_HandleTypeDef *huart, uint8_t *pData, uint16_t Size);              //以非阻塞模式发送大量数据。
 7 HAL_StatusTypeDef HAL_UART_Receive_DMA(UART_HandleTypeDef *huart, uint8_t *pData, uint16_t Size);               //在非阻塞模式下接收大量数据。
 8 HAL_StatusTypeDef HAL_UART_DMAPause(UART_HandleTypeDef *huart);                                                 //暂停DMA传输。
 9 HAL_StatusTypeDef HAL_UART_DMAResume(UART_HandleTypeDef *huart);                                                //恢复DMA传输。
10 HAL_StatusTypeDef HAL_UART_DMAStop(UART_HandleTypeDef *huart);                                                  //停止DMA传输。

3、传输中断函数

1 /* Transfer Abort functions */
2 HAL_StatusTypeDef HAL_UART_Abort(UART_HandleTypeDef *huart);            //中止正在进行的传输(阻塞模式)。
3 HAL_StatusTypeDef HAL_UART_AbortTransmit(UART_HandleTypeDef *huart);    //中止正在进行的传输传输(阻塞模式)。
4 HAL_StatusTypeDef HAL_UART_AbortReceive(UART_HandleTypeDef *huart);     //中止正在进行的接收传输(阻塞模式)。
5 HAL_StatusTypeDef HAL_UART_Abort_IT(UART_HandleTypeDef *huart);         //中止正在进行的传输(中断模式)。
6 HAL_StatusTypeDef HAL_UART_AbortTransmit_IT(UART_HandleTypeDef *huart); //中止正在进行的传输(中断模式)。
7 HAL_StatusTypeDef HAL_UART_AbortReceive_IT(UART_HandleTypeDef *huart);  //中止正在进行的接收传输(中断模式)。

4、中断处理及回调函数

1 void HAL_UART_IRQHandler(UART_HandleTypeDef *huart);                    //函数处理UART中断请求。
2 void HAL_UART_TxCpltCallback(UART_HandleTypeDef *huart);                //Tx传输完成回调函数。
3 void HAL_UART_TxHalfCpltCallback(UART_HandleTypeDef *huart);            //Tx半传输完成回调函数。
4 void HAL_UART_RxCpltCallback(UART_HandleTypeDef *huart);                //Rx传输完成回调函数。
5 void HAL_UART_RxHalfCpltCallback(UART_HandleTypeDef *huart);            //Rx完成一半传输回调函数。
6 void HAL_UART_ErrorCallback(UART_HandleTypeDef *huart);                 //UART错误回调函数。
7 void HAL_UART_AbortCpltCallback(UART_HandleTypeDef *huart);             //UART中止完成回调函数。
8 void HAL_UART_AbortTransmitCpltCallback(UART_HandleTypeDef *huart);     //UART中止完成回调函数。
9 void HAL_UART_AbortReceiveCpltCallback(UART_HandleTypeDef *huart);      //UART中止接收完整的回调函数。

六、结尾

1、总结

　　这篇博客主要是讲解一下UART串口通信协议的时序、功能以及工作原理，还有使用STM32CubeMX来配置USART。简单介绍HAL库函数的函数调用，有了STM32CubeMX生成的这个HAL库函数，我们基本不用管协议上的事情了，可以直接调用里面的发送或接收函数来实现UART通信。而我也会在后续继续编写有关HAL库的调用说明，详细说一下HAL库是如何使用的。

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