串口通信USART

前言

通信的目的：将一个设备的数据传送到另一个设备，扩展硬件系统；单片机有了通信的功能，就能和别的模块互联；
通信协议：制定通信的规则，通信双方按照协议规则进行数据收发；

名称	引脚	双工	时钟	电平	设备
USART	TX、RX	全双工	异步	单端	点对点

?有时钟线可以实现同步传输；

单端通信指的是对GND的电平差；差分是对两个引脚的电平差（差分信号）通信时不需要GND，使用差分信号可以极大的提高抗干扰能力，所以差分信号一般传输速度和距离都会非常高；

硬件电路

简单双向串口通信有两根通信线（发送端TX和接收端RX）
TX与RX要交叉连接
当只需单向的数据传输时，可以只接一根通信线
当电平标准不一致时，需要加电平转换芯片

电平标准

?电平标准是数据1和数据0的表达方式，是传输线缆中人为规定的电压与数据的对应关系，串口常用的电平标准有如下三种：

TTL电平：+3.3V或+5V表示1，0V表示0（单片机常见）
RS232电平：-3~-15V表示1，+3~+15V表示0
RS485电平：两线压差+2~+6V表示1，-2~-6V表示0（差分信号）

串口参数及时序

波特率：串口通信的速率（发送和接收速率要相同，不然会有重复接收数据或者丢失数据，在二进制调制下，也可以说成比特率bit/s，规定了每隔多少秒发送一位）
起始位：标志一个数据帧的开始，固定为低电平
数据位：数据帧的有效载荷，1为高电平，0为低电平，低位先行
校验位：用于数据验证，根据数据位计算得来
停止位：用于数据帧间隔，固定为高电平
?

?串口的停止位是可以配置的，配置成一位或者两位

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；硬件流控制：防止接收方处理不过来，当接收方准备好时才发送数据

常用参数：波特率9600/115200、数据位8位、停止位1位、无校验位

USART框图

TDR和RDR共用一个地址，程序上只表现一个寄存器DR，实际硬件中是两个；

TX接发送移位寄存器，RX接接收移位寄存器；
发送移位寄存器是向右移位的，和串口协议规定的低位先行是一致的，当数据移位完成后，新的数据就会自动的从TDR转移到发送移位寄存器里；

接收移位寄存器同样是向右移位的，从高位往低位移动，接收到的最后一位是高位，接收完成后会把RXNE(在接收控制器附近)标志位置1，就可以把数据读到RDR里了

发送器控制：控制发送移位寄存器工作；

接收器控制：控制接收移位寄存器工作；

硬件数据流控：控制流控的，发送设备发的太快，接收设备来不及处理，就会出现数据丢失或者覆盖的情况；通过nRTS和nCTS两个端口进行控制，n代表低电平有效（代表可以发送，拉高代表不能发送）；nRTS接另一个uart的nCTS，发送电平告诉对方现在能不能接收数据；nCTS接对方的nRTS，接收对方电平，判断能不能发送数据；

SCLK控制（右边）：配合发送移位寄存器工作，发送移位寄存器每移位一次，同步时钟电平就跳变一个周期，告诉对方，我移出去了一位数据（只支持输出，不支持输入）所以两个usart，不能实现同步通信；

唤醒单元（中间）：可以实现多设备，上面接了一个usart的地址，可以给这个串口分配一个地址，往这个地址发数据时，唤醒单元就会唤醒开始工作（接收数据）；

USART中断控制：内接中断申请位，就是状态寄存器哪里的各个标志位，比如上面的TXE(发送寄存器空)，RXNE(接收寄存器非空)用来判断发送状态和接收状态；这里就是配置中断能不能通往NVIC

波特率发生器（最下面）：分频器，APB时钟进行分频，得到发送和接收移位时钟；TE为1，发送器使能，发送部分的波特率有效，RE为1，接收器使能，接收部分的波特率有效；

USART基本结构

时钟来源PCLK2/1，经过波特率发生器分频后，产生的时钟通往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位移和接收位移，发送数据寄存器和发送移位寄存器配合，将数据一位一位的移出去，通过GPIO口的复用输出到TX引脚，产生串口协议规定的波形；

当数据从发送数据寄存器转移到发送移位寄存器时，会置TXE标志位，判断这个标志位，就知道是不是可以写下一个数据了；

RX引脚的波形，通过GPIO输入，在接收控制器的控制下，一位位地移入接收移位寄存器，移完一帧后，数据就会统一转移到接收数据寄存器，在转移的同时，会置RXNE标志位，检查这个标志位，就可以知道是不是接收到数据了，同时这个标志位也可以去申请中断，这样可以在收到数据时，直接进入中断函数；

图里实际上有四个寄存器，在软件层面只有一个DR寄存器给我们读写，写入DR时，数据走上面进行发送，读DR时，数据走下面进行接收；

起始位检测

通过起始位侦测，接收状态由空闲变为接收起始位；

波特率发生器

发送器和接收器的波特率由波特率寄存器BRR里的DIV确定
计算公式：波特率 = fPCLK2/1 / (16 * DIV)

除16是因为有一个16倍频率的采样时钟；计算最终时钟，要输入时钟除以16；通过配置DIV来控制波特率