【USART】串口外设

最新推荐文章于 2025-06-09 22:55:05 发布

Pray_Me

最新推荐文章于 2025-06-09 22:55:05 发布

阅读量246

点赞数

文章标签：单片机 stm32 嵌入式硬件学习 mcu

本文链接：https://blog.youkuaiyun.com/weixin_53328450/article/details/131900572

版权

STM32学习专栏收录该内容

49 篇文章

订阅专栏

一、USART简介

USART （ Universal Synchronous/Asynchronous Receiver/Transmitter ）通用同步 / 异步收发器
USART 是 STM32 内部集成的硬件外设，可根据数据寄存器的一个字节数据自动生成数据帧时序，从 TX 引脚发送出去，也可自动接收 RX 引脚的数据帧时序，拼接为一个字节数据，存放在数据寄存器里
自带波特率发生器，最高达 4.5Mbits/s
可配置数据位长度（ 8/9 ）、停止位长度（ 0.5/1/1.5/2 ）
可选校验位（无校验 / 奇校验 / 偶校验）
支持同步模式、硬件流控制、 DMA 、智能卡、 IrDA 、 LIN

STM32F103C8T6 USART 资源： USART1 、 USART2 、 USART3

// （APB2）（APB1）（APB1）

二、USART框图

左上角引脚部分

1）TX和RX——发送和接收引脚

2）SW_RX、IRDA_OUT、IRDA_IN——智能卡和IrDA通信的引脚

右上角阴影部分

1）【发送数据寄存器】（TDR）和【接收数据寄存器】（RDR）——串口的数据寄存器，发送或接收的字节数据就存在这里

//这两个寄存器占用同一个地址，在程序上只表现为一个寄存器，就是数据寄存器DR（Data Register）

//在实际硬件中分为两个寄存器，TDR是只写的，RDR是只读的

//进行写操作时，数据写入TDR；进行读操作时，数据从RDR读出

2）【发送移位寄存器】和【接收移位寄存器】——一个用于发送，一个用于接收

//【发送移位寄存器】

EX：给TDR写入数据0x55，在TDR里的二进制存储就是0101 0101
此时硬件检测到写入数据，就会检查当前移位寄存器是不是有数据正在进行移位，如果没有，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【TXE】（TX Empty）发送寄存器空
- 如果TXE标志位置1了，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了，TXE就会置1，就可以写入新的数据了

发送移位寄存器会在下面的【发生器控制】的驱动下向右移位，一位一位地把数据输出到TX引脚
- 此处为向右移位，与串口协议规定的低位先行方向一致
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

//如果当前移位寄存器移位还没有完成，TDR的数据就会进行等待，一旦移位完成就会立刻转移过来

——有了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

//【接收移位寄存器】

数据从RX引脚通向接收移位寄存器
在【接收器控制】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次就能接收一个字节
当一个字节移位完成之后，这一个字节的数据就会整体地转移到【接收数据寄存器】RDR里
在转移的过程中置标志位【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

下面（控制部分和增强功能）

1）【发送器控制】——控制【发送移位寄存器】工作

2）【接收器控制】——控制【接收移位寄存器】工作

3）【硬件数据流控】

//如果发送设备发的太快，接收设备来不及处理，就会出现丢弃和覆盖数据的现象（用流控解决）

nRTS（Request To Send）：请求发送，输出脚——告诉别人当前能不能接收（低电平能发，高电平不能发）
nCTS（Clear To Send）：清除发送，输入脚——接收别人nRTS信号

//前面的n表示低电平有效

4）【唤醒单元】——实现串口挂载多设备

//在一条总线上可以接多个从设备，每个设备分配一个地址

//需要跟某个设备通信，先进行寻址确定通信对象，再进行数据收发

给串口分配一个地址，当发送指定地址时，此设备唤醒开始工作；当发送别的设备地址时，别的设备就唤醒工作
这个设备没收到地址时保持沉默

5）【中断输出控制】

//中断申请位就是状态寄存器SR（State Regist）里的各种标志位

//SR有两个标志位比较重要——【TXE】（TX Empty）发送寄存器空

【RXNE】（RX Not Empty）接收数据寄存器非空

判断发送状态和接收状态的必要标志位

三、USART基本结构框图

【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，经过波特率发生器分频后，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】——用于控制发送移位和接收移位
- 由【发送数据寄存器】和【发送移位寄存器】的配合将数据一位一位地移出去，通过GPIO的复用输出，输出到TX引脚，产生串口协议规定的波形
- RX引脚的波形通过GPIO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】
  - 这一部分有4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，数据走上面进行发送

//读取DR时，数据走下面进行接收

四、数据帧（字长设置）

时钟——同步时钟输出功能

//在每个数据位的中间都有一个时钟上升沿，接收端可以在时钟上升沿进行采样，由此精准定位每一位数据

【空闲帧】【断开帧】——用于局域网协议

总共有4种选择
- 9位字长，有校验
- 9位字长，无校验
- 8位字长，有校验
- 8位字长，无校验

//最好选择【9位字长，有校验】、【8位字长，无校验】，使每一帧的有效载荷都是1字节

五、数据帧（配置停止位）

可以配置停止位长度为0.5、1、1.5、2这四种（停止位的时长不一样）
- 1个停止位——停止位的时长和数据位一位时长一样
- 1.5个停止位——停止位的时长是数据位一位时长的1.5倍
- 以此类推

六、起始位侦测

当输入电路侦测到一个数据帧的起始位后，就会以波特率的频率连续采样一帧数据
同时，从起始位开始，采样位置就要对齐到位的正中间，只要第一位对齐了后面就肯定都是对齐的

功能实现
- 输入电路对采样时钟进行了细分，以波特率的16倍频率进行采样（在一位的时间里可以进行16次采样）

起始位侦测策略
- 最开始空闲状态高电平，那么采样就一直是1
- 在某个位置突然采到一个0，那么就说明在这两次采样之间出现了下降沿（如果没有任何噪声，之后应该是起始位了）
- 在起始位会进行连续16次采样，没有噪声的话这16次采样肯定都是0
  - 为防止噪声干扰，即使出现下降沿，后续也要再采样几次
  - 接收电路还会在下降沿之后的【3、5、7】、【8、9、10】进行采样

//两批采样都要求每3位里面至少有2个0

1）如果全是0说明没有噪声

2）如果有些轻微的噪声，导致3位里面两个是0一个是1，在状态寄存器里置NE（Noise Error）噪声标志位以提示

3）如果3位里面只有一个0，那就不算检测到起始位，可能前面的下降沿是噪声导致的，此时电路忽略前面的数据，重新开始捕捉下降沿

采样位置对齐策略
- 通过了起始位侦测，接收状态由【空闲】——【接收起始位】
  - 同时，第8、9、10次采样的位置正好是起始位的正中间
  - 之后接收数据位时，就都在第8、9、10次进行采样，这样就能保证采样位置在位的正中间了

七、数据采样

从1到16是一个数据位的时间长度，在一个数据位有16个采样时钟
由于起始位侦测已经对齐了采样时钟，因此这里直接在第8、9、10次采样数据位
- 为了保证数据可靠性，这里连续采样3次
  - 没有噪声的理想情况下这3次应该全为1或者全为0
  - 全为1就认为收到了1；全为0就认为收到了0
- 如果有噪声导致3次采样不是全为1或者全为0
  - 按照2：1的规则——两次为1就认为收到了1；两次为0就认为收到了0
  - 这种情况下噪声标志位NE也会置1提示有噪声