4.STM32F40x 串口通信(文中以USART1为例子)

一、USART概念内容

? ? ? ?串口通信是一种通过串行接口进行数据传输的通信方式。在串口通信中，数据是以位的形式逐个传输的，通常使用RS-232、RS-485、USB等接口标准。串口通信可以用于连接计算机和外部设备、嵌入式系统之间的通信，常见的应用包括串口打印机、串口调制解调器、串口通信设备等。串口通信的优点是传输距离远、成本低、稳定可靠，但传输速度相对较慢。

? ? ? ?通用同步异步收发器(USART)能够灵活地与外部设备进行全双工数据交换，满足外部设备对工业标准NRZ异步串行数据格式的要求。USART通过小数波特率发生器提供了多种波特率。

? ? ? 它支持同步单向通信和半双工单线通信；还支持LIN（局域互连网络）、智能卡协议与IrDA （红外线数据协会）SIR ENDEC规范，以及调制解调器操作(CTS/RTS)。而且，它还支持多处理器通信。通过配置多个缓冲区使用DMA可实现高速数据通信。

二、USART主要特性

? ? ? ? 1. 异步或同步传输：USART可以以异步模式或同步模式进行数据传输。异步传输使用起始位和停止位确定数据帧的开始和结束，而同步传输使用外部时钟信号进行同步。

? ? ? ?2. 支持多种数据格式：USART支持多种数据格式，包括数据位数（通常为8位）、校验位（奇偶校验或无校验）和停止位数（通常为1位或2位）的配置。

? ? ? 3. 双工通信：USART支持全双工通信，可以同时进行数据的发送和接收。

? ? ? 4. 可编程波特率：USART允许用户根据需要设置波特率，以适应不同的通信速率要求。

? ? ? 5. 中断支持：USART提供中断功能，可以在数据接收或发送完成时触发中断，以便及时处理数据。

? ? ?6. 多个通信模式：USART可以配置为主模式或从模式。在主模式下，USART可以控制通信的时序和流程，而在从模式下，USART将根据外部设备的控制进行通信。

? ? ?7. 缓冲器支持：USART通常具有接收和发送缓冲器，用于存储接收到的数据和待发送的数据。

? ? 8. 硬件流控制：一些USART支持硬件流控制功能，包括使用RTS（请求发送）和CTS（清除发送）信号进行数据流控制。

三、USART功能说明

? ? ? ? ?接口通过三个引脚从外部连接到其他设备(请参见USART框图)。任何USART双向通信均需要至少两个引脚：接收数据输入引脚(RX)和发送数据输出引脚(TX)。

? ? ? ?RX：接受数据输入引脚是指串行数据输入引脚。过采样技术可区分有效输入数据和噪声，从而用于恢复数据。

? ? ? TX：发送数据输出引脚，如果关闭发送器，该输出引脚模式由其I/O端口决定。如果使能了发送器但没有待发送数据，则TX引脚处于高电平。在单线和智能卡模式下，该I/O用于发送和接收数据(USART电平下，随后在SW_RX上接收数据)。

USART框图如下：

? ? ? ??

四、USART字符说明

? ? ? 可通过对USART_CR1寄存器中的M位进行编程来选择8位或9位的字长(请参见USART字符框图)。TX引脚在起始位工作期间处于低电平状态。在停止位工作期间处于高电平状态。

? ? ?空闲字符可理解为整个帧周期内电平均为“1”（停止位的电平也是“1”)，该字符后是下一个数据帧的起始位。

? ? ? 停止字符可理解为在一个帧周期内接收到的电平均为“O”。发送器在中断帧的末尾插入1或2个停止位（逻辑“1”位)以确认起始位。

发送和接收由通用波特率发生器驱动，发送器和接收器的使能位分别置1时将生成相应的发送时钟和接收时钟。

USART字符框图如下所示：

? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ??

五、USART可配置停止位

? ? ? ? 可以在控制寄存器⒉的位13和位12中编程将随各个字符发送的停止位的数量。

? ? ? ? ?1个停止位。这是停止位数量的默认值。

? ? ? ? 2个停止位。正常USART模式、单线模式和调制解调器模式支持该值。

? ? ? ? 0.5个停止位。在智能卡模式下接收数据时使用。

? ? ? ?1.5个停止位。在智能卡模式下发送和接收数据时使用。

? ? ? ? 空闲帧发送将包括停止位。

? ? ? ?m=0时，中断发送是10个低电平位，然后是已配置数量的停止位;m=1时，中断发送是11个低电平位，然后是已配置数量的停止位。无法传送长中断（中断长度大于10/11个低电平位)。

USART可配置的停止位框图如下：

六、USART 中断

USART中断请求框图如下：

??? USART中断事件被连接到相同的中断向量（请参见USART中断映射图)。

发送期间:发送完成、清除以发送或发送数据寄存器为空中断。

接收期间:空闲线路检测、上溢错误、接收数据寄存器不为空、奇偶校验错误、LIN断路检测、噪声标志（仅限多缓冲区通信）和帧错误（仅限多缓冲区通信) 如果相应的使能控制位置1，则这些事件会生成中断。USART中断映射图如下所示：

七、USART模式配置图

八、USART复用功能图?

九、配置USART函数

1.开启串口时钟和GPIO时钟使能

RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_USART1,ENABLE);//使能USART1时钟

RCC_AHB1PeriphClockCmd(RCC_AHB1Periph_GPIOA,ENABLE); //使能GPIOA时钟

2. GPIO端口模式设置

GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_9 | GPIO_Pin_10; //GPIOA9与GPIOA10 GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_AF; //复用模式

GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz; //速度50MHz

GPIO_InitStructure.GPIO_OType = GPIO_OType_PP; //推挽复用输出

GPIO_InitStructure.GPIO_PuPd = GPIO_PuPd_UP; //上拉

GPIO_Init(GPIOA,&GPIO_InitStructure); //初始化PA9，PA10

3.PA9和PA10要设置为复用功能

GPIO_PinAFConfig(GPIOA,GPIO_PinSource9,GPIO_AF_USART1); //PA9复用为USART1

GPIO_PinAFConfig(GPIOA,GPIO_PinSource10,GPIO_AF_USART1);//PA10复用为USART1

4. 串口参数初始化：设置波特率，字长，奇偶校验等参数

?? 串口初始化是调用函数USART_Init来实现，各个参数配置如下：

USART_InitStructure.USART_BaudRate            = bound;//一般设置为9600;
USART_InitStructure.USART_WordLength          = USART_WordLength_8b;//字长为8位数据
USART_InitStructure.USART_StopBits            = USART_StopBits_1;//一个停止位USART_InitStructure.USART_Parity              = USART_Parity_No;//无奇偶校验位
USART_InitStructure.USART_HardwareFlowControl = USART_HardwareFlowControl_None;
USART_InitStructure.USART_Mode                = USART_Mode_Rx | USART_Mode_Tx;//收发模式USART_Init(USART1, &USART_InitStructure); //初始化串口

??5. 使能串口

USART_Cmd(USART1, ENABLE);? //使能串口

??6. 串口数据发送与接收函数

（1）数据发送函数

void USART_SendData(USART_TypeDef* USARTx, uint16_t Data);

（2）数据接收函数

uint16_t USART_ReceiveData(USART_TypeDef* USARTx);

?7. 串口状态

??? （1）读取串口状态的函数是：

FlagStatus USART_GetFlagStatus(USART_TypeDef*USARTx, uint16_t USART_FLAG)；

（2）判断读寄存器是否非空(RXNE)

USART_GetFlagStatus(USART1,USART_FLAG_RXNE);

（3）判断发送是否完成(TC)

USART_GetFlagStatus(USART1,USART_FLAG_TC);

8. 开启中断并且初始化NVIC，使能相应中断

NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannel = USART1_IRQn;

NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelPreemptionPriority=3;//抢占优先级3

NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelSubPriority =3;? //响应优先级3

NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelCmd = ENABLE; //IRQ通道使能

NVIC_Init(&NVIC_InitStructure);//根据指定的参数初始化VIC寄存器

同时，我们还需要使能相应中断,使能串口中断的函数原型是：

void USART_ITConfig(USART_TypeDef*USARTx,uint16_t USART_IT,FunctionalState NewState);

??接收到数据的时候（RXNE读数据寄存器非空），我们要产生中断时函数为：

USART_ITConfig(USART1, USART_IT_RXNE, ENABLE);//开启中断，接收到数据中断

发送数据结束的时候（TC，发送完成）要产生中断：

USART_ITConfig(USART1，USART_IT_TC，ENABLE);

9. 获取相应中断状态

?? 使用的函数是

ITStatus USART_GetITStatus(USART_TypeDef* USARTx, uint16_t USART_IT);

调用这个函数来判断到底是否是串口发送完成中断：

USART_GetITStatus(USART1, USART_IT_TC);

10. 中断服务函数

void USART1_IRQHandler(void);

十、代码汇总

?? 1.usart1.c

??

#include "usart.h" 

/*****加入以下代码,支持printf函数,而不需要选择use MicroLIB*****/	  
#if 1
	#pragma import(__use_no_semihosting)             
	//标准库需要的支持函数                 
	struct __FILE 
	{ 
		int handle; 
	}; 

	FILE __stdout;  	
	//定义_sys_exit()以避免使用半主机模式    
	void _sys_exit(int x) 
	{ 
		x = x; 
	} 
	void _ttywrch(int ch)
	{
		ch = ch;
	}
	//重定义fputc函数 
	int fputc(int ch, FILE *f)
	{ 	
		while(USART_GetFlagStatus(USART1, USART_FLAG_TC) == RESET);
		USART_SendData(USART1, ch);	
		return ch;
	}
/**********************printf support end**********************/	  
#endif

void USART1_Init(u32 bound){
	
	RCC_AHB1PeriphClockCmd(RCC_AHB1Periph_GPIOA,ENABLE);  //使能A口时钟--RCC
	RCC_APB2PeriphClockCmd( RCC_APB2Periph_USART1 , ENABLE ); //初始化串口1的时钟--RCC

	 //初始化引脚PA9/10--复用推挽输出--GPIO
	GPIO_InitTypeDef  GPIO_InitStruct={0};
	GPIO_InitStruct.GPIO_Mode  = GPIO_Mode_AF;  //复用
	GPIO_InitStruct.GPIO_OType = GPIO_OType_PP;  //推挽
	GPIO_InitStruct.GPIO_Pin   = GPIO_Pin_9|GPIO_Pin_10;//引脚
    GPIO_InitStruct.GPIO_PuPd  = GPIO_PuPd_UP; //上拉
	GPIO_InitStruct.GPIO_Speed = GPIO_Medium_Speed;//25MHZ翻转速度
	GPIO_Init( GPIOA, &GPIO_InitStruct);

	//引脚映射USART1上--GPIO
	GPIO_PinAFConfig( GPIOA, GPIO_PinSource9, GPIO_AF_USART1);
	GPIO_PinAFConfig( GPIOA, GPIO_PinSource10, GPIO_AF_USART1);
		
	
	//初始化串口：--USART
	USART_InitTypeDef  USART_InitStruct={0};
    USART_InitStructure.USART_BaudRate            = bound;//一般设置为9600;
    USART_InitStructure.USART_WordLength          = USART_WordLength_8b;//字长为8位数据
    USART_InitStructure.USART_StopBits            = USART_StopBits_1;//一个停止位            
    USART_InitStructure.USART_Parity              = USART_Parity_No;//无奇偶校验位
    USART_InitStructure.USART_HardwareFlowControl = USART_HardwareFlowControl_None;
    USART_InitStructure.USART_Mode                = USART_Mode_Rx | USART_Mode_Tx;//收发模式
    USART_Init(USART1, &USART_InitStructure); //初始化串口

		
	//配置中断--USART
	USART_ITConfig(USART1, USART_IT_RXNE, ENABLE);  //使能串口1的接收中断
	USART_ITConfig(USART1, USART_IT_IDLE, ENABLE);  //使能串口1的空闲中断

	//配置NVIC--MISC
	NVIC_InitTypeDef NVIC_InitStruct   = {0};
	NVIC_InitStruct.NVIC_IRQChannel    =  USART1_IRQn;  //37主控芯片头文件stm32f4xx.h
	NVIC_InitStruct.NVIC_IRQChannelCmd =  ENABLE;  //开启串口1的中断
	NVIC_InitStruct.NVIC_IRQChannelPreemptionPriority = 3; // 优先级 默认
	NVIC_InitStruct.NVIC_IRQChannelSubPriority        = 3; // 响应	
	NVIC_Init(&NVIC_InitStruct);
		
	//开启串口CMD--USART
	USART_Cmd(USART1, ENABLE);
}


//发送--先等待前一个发送完成，再发送下一个  -- USART
void Usart1_Send(char ch)//发送一个字节函数{

	 while( USART_GetFlagStatus( USART1, USART_FLAG_TC ) != SET )//死等发送完成
	 {
	   ;
	 }
	 USART_SendData(USART1, ch);//发送一个字节
}

//接收--先等接收完成，返回接收数据  -- USART
char Usart1_Receive(void){

	 char ch=0;
	 while( USART_GetFlagStatus( USART1, USART_FLAG_RXNE ) != SET )//死等接收完成
	 {
	   ;
	 }
   ch=USART_ReceiveData( USART1 );
   return ch;
}


Usart1struct Usart1dat={0};

//中断服务函数--启动文件（.s--CMSIS）无返回值,无形参  //0 0011 0000 1 1帧 '0'
void USART1_IRQHandler(void){

    //判断是谁产生的中断--USART
	  if(USART_GetITStatus(USART1, USART_IT_RXNE)== SET){

		   Usart1dat.Usart1_Rbuf[Usart1dat.Usart1_Rlen++] = USART_ReceiveData( USART1 );
			 if(Usart1dat.Usart1_Rlen >=256) Usart1dat.Usart1_Rlen = 0;
		}

	  if(USART_GetITStatus(USART1, USART_IT_IDLE)== SET){  //空闲中断接收完成

		    Usart1dat.Usart1_Rbuf[Usart1dat.Usart1_Rlen] = '\0';  //变成字符串
			Usart1dat.Usart1_Rflag = 1;  //接收完成标记位置1
        USART_ReceiveData(USART1);   // 清除空闲中断标志      

		}
	
}

?? 2.usart1.h

#ifndef USART_H
#define USART_H
#include "stm32f4xx.h" 
#include "stdio.h" 

typedef struct{

   char Usart1_Rbuf[256];
	 int  Usart1_Rlen;
	 char Usart1_Rflag;
}Usart1struct;

extern Usart1struct Usart1dat;

void USART1_Init(u32 bound);
void Usart1_Send(char ch);
char Usart1_Receive(void);

#endif

?? 3.main.c

#include "systick.h"
#include "usart.h"
#include "string.h"
#include "led.h"

int main(){

    SsyTick_Init(168);  //延时初始化
    LED_Init();  // LED初始化
    UASRT1_Init(9600);  

    printf("我已进入程序，请启动吧!\r\n");
   

    while(1){

      printf("已启动，请输入数据吧!\r\n");
      
      if(Usart1dat.Usart1_Rflag == 1){

			printf("%s\r\n",Usart1dat.Usart1_Rbuf);
			if(strcmp(Usart1dat.Usart1_Rbuf, "ledlon") == 0{

			    LED1 = 0; // 输出低电平，亮灯

			  }
            else if(strcmp(Usart1dat.Usart1_Rbuf, "ledoff") == 0){
              
                LED1 = 1; //灭灯

              }
        }
      
   }
}

十一、重写printf底层函数fputc，让printf映射到串口上

所以我直接使用下面代码，/*****加入以下代码,支持printf函数,而不需要选择use?MicroLIB*****/ ??

#if?1
#pragma?import(__use_no_semihosting)?????????????
//标准库需要的支持函数?????????????????
struct?__FILE?
{?
int?handle;?

};?

FILE?__stdout;???????
//定义_sys_exit()以避免使用半主机模式????
void?_sys_exit(int?x)?
{?
x?=?x;?
}?
void?_ttywrch(int?ch)
{
ch?=?ch;
}
//重定义fputc函数?
int?fputc(int?ch,?FILE?*f)
{?
while(USART_GetFlagStatus(USART1,?USART_FLAG_TC)?==?RESET);
USART_SendData(USART1,?ch);
return?ch;
}
/**********************printf?support?end**********************/ ??
#endif

十二、中断服务函数简单说明

? ? ?中断服务函数是在相应的中断事件发生时由系统自动调用的函数。上面usart1.c中给出的函数USART1_IRQHandler是用于处理USART1的中断事件的中断服务函数。函数声明中void表示该函数不返回任何值。

十三、NVIC中断补充

程序优先处理部分，通过优先级排序

1、优先级

中断会打断主循环的代码，那如果多个中断同时发生呢？这时候就需要一个东西来约定—>优先级? M4 ---3种

优先级分为三种：（数字越小越高）比如： 1和5?? 1的优先级比5高

?（1）自然优先级（普通会员）----天生的

? ? ? ST工程师设定的优先级，不可修改。 给了固定的标号

? ? ?A（自然优先级45）< B（自然优先级40）

（2）响应优先级（VIP会员）----可以修改

? ? ? ? ?用户自定义的优先级

? ? ? ? A（响应优先级2）> B（响应优先级3），C（响应优先级为1）

假设事件A和事件B同时发生，管理员（NVIC）通知内核优先处理事件A，如果这个时候事件C发送了，那么处理完事件A后先处理事件C，最后再处理事件B。

//不打断正在发生的中断事件，后续中断事件都需按优先级进行排队

（3）抢占优先级（SVIP会员，—>专属客户）----可以修改

? ? ? ? ?用户自定义的优先级，抢占优先级 > 响应优先级

? ? ? ? ?A （抢占优先级2）> B（抢占优先级4）, C（抢占优先级为1）

在处理事件A的过程中，发生了事件B，这个时候事件A不会被打断。如果这个时候发送了事件C，那么事件A将会被打断，优先执行事件C。

//会打断正在发生的中断事件，后续中断事件都需按优先级进行排队

如果抢占优先级一样呢？对比响应优先级，如果响应优先级还是一样呢？对比自然优先级，自然优先级必然是不一样的。

2、优先级分组? 抢占? 响应优先级 最多能设置多少呢？

? ? ? NVIC控制器的优先级使用8个二进制位表示，分成两部分表示，分别是抢占优先级和响应优先级（也称子优先级），这8个比特位用于设置中断源的优先级，可以有8种分配方式。Cortex-M允许具有较少中断源时使用较少的寄存器位指定中断源的优先级，但是最少不能低于3位。ST的工程师在设计的时候只用了四个位，这四个位可以分成5组不同的组合? 11??? 11

第0组：所有4位用于指定响应优先级，无抢占优先级。 0~15=16种

第1组：最高1位用于指定抢占优先级，最低3位用于指定响应优先级。

第2组：最高2位用于指定抢占优先级，最低2位用于指定响应优先级。 4 4

第3组：最高3位用于指定抢占优先级，最低1位用于指定响应优先级。 8 2

第4组：最高4位用于指定抢占优先级，无响应优先级。?????

注：系统复位后默认组0

十四、总结

???? 在学习USART串口通信需要理解基本概念、掌握配置和初始化、熟悉数据收发和中断处理，并在实际应用中进行调试和验证。通过不断的学习和实践，可以掌握USART串口通信并应用于嵌入式系统和通信设备中。

???

注意：本人所写文章均用于记录自己的学习过程！！！