ARM架构与编程——实战：UART编程

汇编实现UART功能

一、UART硬件知识

1.1 串口的硬件介绍

UART的全称是Universal Asynchronous Receiver and Transmitter，即异步发送和接收。
串口因为结构简单、稳定可靠，广受欢迎。
通过三根线即可，发送、接收、地线。

串口在嵌入式中用途非常的广泛，主要的用途有：

• 打印调试信息；
• 外接各种模块：GPS、蓝牙；
  

1.2 串口的参数

• 波特率：一般选波特率都会有9600,19200,115200等选项。其实意思就是每秒传输这么多个比特位数(bit)。
• 起始位:先发出一个逻辑”0”的信号，表示传输数据的开始。
• 数据位：可以是5~8位逻辑”0”或”1”。如ASCII码（7位），扩展BCD码（8位）。小端传输。
• 校验位：数据位加上这一位后，使得“1”的位数应为偶数(偶校验)或奇数(奇校验)，以此来校验数据传送的正确性。
• 停止位：它是一个字符数据的结束标志。

举例：
怎么发送一字节数据，比如‘A‘?
‘A’的ASCII值是0x41,二进制就是01000001，怎样把这8位数据发送给PC机呢？

• 双方约定好波特率（每一位占据的时间）；

• 规定传输协议

  • 原来是高电平，ARM拉低电平，保持1bit时间；
  • PC在低电平开始处计时；
  • ARM根据数据依次驱动TxD的电平，同时PC依次读取RxD引脚电平，获得数据；
    

前面图中提及到了逻辑电平，也就是说代表信号1的引脚电平是人为规定的。
如下图是TTL/CMOS逻辑电平下，传输‘A’时的波形：

在xV至5V之间，就认为是逻辑1，在0V至yV之间就为逻辑0。
如图是RS-232逻辑电平下，传输‘A’时的波形：

在-12V至-3V之间，就认为是逻辑1，在+3V至+12V之间就为逻辑0。
RS-232的电平比TTL/CMOS高，能传输更远的距离，在工业上用得比较多。
市面上大多数ARM芯片都不止一个串口，一般使用串口0来调试，其它串口来外接模块。

1.3 串口电平

ARM芯片上得串口都是TTL电平的，通过板子上或者外接的电平转换芯片，转成RS232接口，连接到电脑的RS232串口上，实现两者的数据传输。

现在的电脑越来越少有RS232串口的接口，当USB是几乎都有的。因此使用USB串口芯片将ARM芯片上的TTL电平转换成USB串口协议，即可通过USB与电脑数据传输。

上面的两种方式，对ARM芯片的编程操作都是一样的。

1.4 串口内部结构

ARM芯片是如何发送/接收数据？
如图所示串口结构图：

要发送数据时，CPU控制内存要发送的数据通过FIFO传给UART单位，UART里面的移位器，依次将数据发送出去，在发送完成后产生中断提醒CPU传输完成。
接收数据时，获取接收引脚的电平，逐位放进接收移位器，再放入FIFO，写入内存。在接收完成后产生中断提醒CPU传输完成。

1.5 波特率传输数据计算

115200波特率，1s中能传输多少数据？
如何表示：115200,8n1
8位数据位，没有校验位，1位停止位

计算：
每1bit数据传输的时间：1 / 115200
传输1Byte数据需要传输10bit（start，data，stop）
时间为：t = 10 / 115200
每秒能传输的字节Byte为： 1 / t = 115200 / 10 = 11520(Byte)

二、UART编程

2.1 串口编程的步骤

1. 看原理图确定引脚

有很多串口，使用哪一个？看原理图确定

2. 配置引脚为UART功能

至少用到发送、接收引脚：txd、rxd
需要把这些引脚配置为UART功能，并使能UART模块

3. 设置串口参数

• 有哪些参数？
• 波特率
• 数据位
• 校验位
• 停止位
• 示例：
  比如15200,8n1表示波特率为115200,8个数据位，没有校验位，1个停止位

4. 根据状态寄存器读写数据

• 肯定有一个数据寄存器，程序把数据写入，即刻通过串口向外发送数据
• 肯定有一个数据寄存器，程序读取这个寄存器，就可以获得先前接收到的数据
• 很多有状态寄存器
• 判断数据是否发送出去？是否发送成功？
• 判断是否接收到了数据？

2.2 STM32F103串口框架

各类芯片的UART框图都是类似的，当设置好UART后，程序读写数据寄存器就可以接收、发送数据了。

2.3 STM32F103串口操作

2.3.1 确定引脚

以100askSTM32F103为例：

• 100ASM STM32F103的USART1接到一个USB串口芯片，然后就可以通过USB线连接电脑了
• 原理图如下

2.3.2 配置引脚为UART功能

1. 使能GPIOA/USART1模块

需要设置GPIOA的寄存器，选择引脚功能：所以要使能GPIOA模块。
GPIOA模块、USART1模块的使能都是在同一个寄存器里实现。
address: 0x40021000 + 0x18
使能GPIOA和USART1：将bit2 和bit14 置1

2. 配置引脚功能
从上图可以知道，PA9、PA10有三种功能：GPIO、USART1、TIMER1。

address：0x40010800 + 0x04

1. 选择端口为输出模式
   PA9为TX,：选择output为输出方向；输出模式为：复用推挽输出
   PA10为RX：选择input为输入方向，输出模式为：浮空输入
2. 如何设置bit位：
   由于有重置值，所以要事先对需要设置的为进行清除
   PA9：清除bit4，bit5和bit6，bit7，分别设置为01 ；10
   PA10：清除bit8，bit9和bit10，bit11，分别设置为00；10

2.3.3 设置串口参数

1. 设置波特率
波特率算公式：

USARTDIV由整数