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第十四章 串口通信实验
让我们学习这一章STM32MP使用串口的方法，并通过串口发送和接收数据。 本章将分为以下几个部分： 14.1、串口简介； 14.2、STM32MP1串口简介； 14.3、HAL库中串口相关API； 14.四、串口中断接收回显实验； 14.五、章节总结； 14.1 串口简介 在学习串口之前，让我们先了解一些数据通信的基本概念。 14.1.1 数据通信的基本概念 在单片机的应用中，数据通信是必不可少的一部分，如单片机与上位机、单片机与外围设备之间，它们都需要数据通信。由于设备之间的电气特性、传输速率和可靠性要求不同，有各种通信类型和通信协议。最常见的是：USART、IIC、SPI、CAN、USB等。接下来，让我们通信的基本概念。
- 数据通信模式 按数据通信方式分为串行通信和并行通信。串行并行对比如下图所示:
图14.1.1. 1数据传输模式 串行通信的基本特征是数据按顺序传输，至少只有一条传输线，所需传输线成本低，但每次只能传输1bit信号，如1Byte发送信号需要8次，传输速度低。串行通信具有较强的抗干扰能力，可用于远程传输，传输距离可从几米到几公里不等。 并行通信是指数据可以通过多条线同时传输，一次传输8bit、16bit、32bit对于更高的位数，需要8、16、32甚至更多的信号线。其优点是传输速率高，缺点是线路成本高，抗干扰能力差，适用于短距离、高速通信。 2. 数据传输方向 根据数据传输方向，通信可分为全双工、半双工和单工通信，其比较如下图所示：
图14.1.1. 2数据传输方式 单工是指数据传输只能沿一个方向传输，不能朝相反的方向传输； 半双工是指数据传输可以沿两个方向进行，但需要分时进行； 全双工是指数据可以同时双向传输； 注意全双工和半双工通信的区别：半双工通信共用一条线实现双向通信（分时），全双工使用两条线，一条用于发送数据，另一条用于接收数据。 3. 数据同步模式 通信可分为同步通信和异步通信。同步通信和异步通信的比较如下图所示：
图14.1.1. 3数据同步方式 同步通信要求双方共享同一时钟信号，并在总线上保持统一的时间顺序和周期来完成信息传输。其优点是：可实现高速、大容量的数据传输和点对点多点传输。缺点是：需要时钟和接收时钟严格同步，接收时钟允许误差小，硬件复杂。 异步通信不需要时钟信号，而是在传输的数据信号中添加一些同步信号，如起始位置和停止位置，以便接收端能够正确接收每个字符。在某些通信中，双方还需要就传输速率达成一致。其优点是：没有时钟信号硬件简单，双方的时钟可能有一定的误差。缺点是通信速度低，只适用于点对点传输。 4. 通信速率 在数字通信系统中，通信速率(传输速率)是指数据在信道中传输的速度，分为传信率和传码率两种。 传信率（Rb）：通常使用每秒传输的信息量，即每秒传输的二进制位数Rb表示，单位为bit/s(即比特每秒)，所以也叫比特率。 传码率(RB)：通常使用每秒传输的码元数RB表示单位为Bd或Baud(即波特每秒)，所以也叫波特率。 比特率和波特率的概念经常被混淆。比特率很容易理解。让我们看看波特率。波特率传输码元，码元是信息调制后的概念。一个码元可以表示为多个二进制比特信息。它们的关系可以用公式Rb=RBlog2M表示，M表示M进制码元。 在二进制系统中，波特率等于比特率，但其意义不同。例如，当以每秒50个二进制位数的速率传输时，传信率为50bit/s，传码率也为50Bd。比特率等于波特率的值，无需调制。替换公式：Rb=RBlog2M=RB，M=2。 如果6进制系统中，即使用调制技术，代入公式：Rb=RBlog2M=4RB，M=例如，波特率为1000Bd，在二进制系统中，比特率为100 bit/s；在四进制系统中，比特率为400 bit/s，也就是说，16进制码元表示4个二进制数，可见一个码元可以表示多个比特。 注：比特率单位也常用bps表示每秒传输的比特数（bit per second）。波特是波特的单位（Baud） 14.1.2 串口通信接口标准 在常用的串行通信接口标准中，有RS-232、RS-422和RS-485接口。
- 接口 （1）RS-232 电脑机箱后面一般有两个9芯或25芯接口，也叫DB9和DB25连接器符合RS-232C可用于连接标准串行接口MODEM设备或工业仪器仪表等，实现设备与计算机的快速交流。让我们先看看。RS下图为232接口DB9针接头，左公头1脚接母头1脚，其他脚也按数字对应。
图14.1.2. 1 RS232接口 RS-232C定义数据终端设备（DTE）和数据通信设备（DCE）串行二进制数据交换接口技术标准DB以9连接器为例，本标准接口的主要引脚定义如下：
表14.1.2. 1 RS232接口引脚信号 使用RS-232.对于一般的双工通信，只需要一条发送线、一条接收线和一条地线即可实现。这三条线构成共地传输，易产生共模干扰，抗噪声、抗干扰能力弱RS-232最大通信距离一般为15m。RS-以两个计算机通信为例，如果是近距离通信，两个接口可以直接连接：
图14.1.2. 两台设备近距离通信 若为长距离通信，则需要通过数据通信设备，如调制解调器。调制解调器是实现数字信号和模拟信号相互转换的设备。当计算机通过电话线连接到互联网时，发送人的计算机发出的数字信号通过调制解调器转换为模拟信号，接收人的计算机将传输的模拟信号转换为数字信号。两台电脑通过调制解调器实现通信。
图14.1.2. 33两台设备远距离通信 （2）RS-422 RS-422采用4条线(2条发送，2条接收，如果加上5条地线)和差输，全双工作可通过两对双绞线收发。RS-422是单机发送和多机接收的双向平衡传输，即总线上只允许一个主设备，从设备之间可以有多个通信。RS-422输出驱动器是双端平衡驱动器，具有电压放大功能，差异电路具有较强的抗干扰能力RS-422的传输距离较长，可达几十米到几公里。 （3）RS-485 RS-485是RS-422的变形，RS-485采用一对双绞线，可实现半双工作，但随着技术的发展，RS-485已经有了4线通信和4线通信RS-422具有实现多点、双向通信的能力。RS-485采用平衡发送和差分接收的方式，具有良好的抗噪干扰性，传输距离可达几十米到几公里。
图141.2. 4 RS485通信 下表中列出RS-232、RS-422和RS-485的对比： 类型 RS-232 RS-422 RS-485 4线 RS-485 2线
表14.1.2. 2 RS-232、RS-422和RS-485通信对比 2. 电气标准 在电子设计中，要保证不同设备的信号之间的通讯，就会涉及到通信协议以及电平标准，电平标准有很多，常见的电平标准有TTL、RS232、RS485、COMS和LVDS等。TT（Transistor-Transistor Logic)，即晶体管逻辑集成电路，TTL电平是数字电路的一种通用接口电平标准，TTL电平信号直接与集成电路连接，下面我们以一张表格来区分串行通信的电平标准。
表14.1.2. 3电气标准 14.1.3 串口通信协议简介 串口通信是一种设备间常用的串行通信方式，串口按位（bit）发送和按位接收字节，一个字节（Byte）有8位，串口必须把这8位依次发送出去才可以完成一个字节的发送，比起按字节发送的并行通信速率要慢，效率较低，但是所需的线少，成本低，通信较稳定。
图14.1.3. 1串行通信和并行通信 串口通信协议是指规定了数据包的内容，双方需要约定一致的数据包格式才能正常收发数据。在串口通信中，常用的协议包括RS-232、RS-422和RS-485等。 随着科技的发展，RS-232在工业上还有广泛的使用，但是在商业技术上，已经慢慢的使用USB转串口了。现在的很多电脑已经没有DB9接口了，取而代之的是 USB 接口，所以就催生出了很多 USB转串口TTL 芯片，比如 CH340、PL2303 等。通过这些芯片就可以实现串口 TTL 转 USB。STM32的串口输出的是TTL电平信号，如果需要RS-232标准的信号可使用MAX3232芯片换成232电平以后，再通过一根USB转串口线与PC机的串口连接来实现通信。
图14.1.3. 2 USB转串口线 正点原子STM32MP157开发板就是用CH340C芯片来完成串口UART和电脑之间的通信的，开发板引出Type-C接口，硬件连接上非常方便，只需要一根Type-C 线就可以。理论上，USB2.0版本，Type-C接口最大传输速率为480Mbps，而USB3.0以上版本可以达到5Gbps或者更高的传输速率。如下图位号为USB_TTL的接口（Type-C接口）是我们后面串口实验要用到的接口。
图14.1.3. 3正点原子STM32MP157开发板USB_TTL接口 下面我们来学习串口通信协议，这里主要学习串口通信的协议层。 串口通信的数据包由发送设备的TXD接口传输到接收设备的RXD接口。在串口通信的协议层中，规定了数据包的内容，它由启始位、主体数据位、校验位以及停止位组成，通讯双方的数据包格式要约定一致才能正常收发数据，其组成如下图所示。
图14.1.3. 4串口通信协议数据帧格式 串口通信协议数据包组成可以分为波特率和数据帧格式两部分。
- 波特率 串口通信分为同步通信（UART）和异步通信（USART），本章主要讲解的是串口异步通信（USART），异步通信是不需要时钟信号的，但是需要约定两个设备的波特率一致才可以正常通信。波特率表示每秒钟传送的码元符号的个数，所以它决定了数据帧里面每一个位的时间长度。两个要通信的设备的波特率一定要设置相同，常见的波特率是4800、9600、115200等。 根据波特率可以计算出每帧内部数据位各位之间的时间间隔（不是帧与帧之间的时间间隔），1s除以波特率可得时间，例如波特率为115200的时间间隔为1s /115200（波特率） = 8.68us。如果是9600波特率，则时间间隔约为104.2us。
- 数据帧格式 数据帧格式需要我们提前约定好，串口通信的数据帧包括起始位、停止位、有效数据位以及校验位。我们来看看这些数据位： 起始位和停止位 串口通信的一个数据帧是从起始位开始，直到停止位，通信的双方要约定一致。 数据帧中的起始位是由一个逻辑0 的数据位表示，当发出一个逻辑 0 信号，表示传输字符的开始。 数据帧的停止位是数据的结束标志，它可以用 0.5、1、1.5或 2个逻辑1的数据位表示（高电平）。 有效数据位 数据帧的起始位之后，接着就是数据位，也称有效数据位，这就是我们真正需要的数据，有效数据位可以是5、6、7或者8个位长构成一个字符，通常采用ASCII码表示，有效数据位从最低位开始传送，低位（LSB）在前，高位（MSB）在后。 校验位 校验位可以认为是一个特殊的数据位。校验位一般用来判断接收的数据位有无错误，检验方法有：奇检验、偶检验、0检验、1检验以及无检验。下面分别介绍一下： 奇校验是指有效数据位和校验位中是“1”的个数为奇数，比如一个 8 位长的有效数据为：10101001，总共有 4 个“1”，为达到奇校验效果，校验位应设置为“1”，最后传输的数据是8位的有效数据加上 1 位的校验位总共 9位。 偶校验与奇校验要求刚好相反，要求帧数据和校验位中“1”的个数为偶数，比如数据帧：11001010，此时数据帧“1”的个数为 4 个，为达到偶校验效果，所以偶校验位为“0”。 0 校验是指不管有效数据中的内容是什么，校验位总为“0”。 1 校验是校验位总为“1”。 无校验是指数据帧中不包含校验位。 我们一般是使用无检验位的情况。 空闲位 这里还注意到，在数据帧与帧之间有空闲信号，我们也称之为空闲位，空闲位处于逻辑 1 状态（高电平），表示当前线路上没有数据在传送，空闲位的长度是不定的。如下图是异步串口通信中，帧与帧之间的空闲间隔是随机的。
图14.1.3. 5空闲信号是不定长的 14.2 STM32MP1串口简介 14.2.1 STM32MP157串口资源
- 串口功能 STM32MP157的串口资源相当丰富，功能也相当强劲：支持8/16倍过采样、支持自动波特率检测、支持Modbus通信、支持同步单线通信和半双工单线通讯、支持LIN（局域互连网络）、支持FIFO模式、支持调制解调器操作、智能卡协议和IrDA SIR ENDEC规范、具有DMA等等。支持的功能有很多，我们后面的实验主要是使用串口接收中断。 STM32MP1的串口分为两种：USART（即通用同步收发器）和UART（即通用异步收发器），其中USART有USART1/2/3/6，而UART有UART4/5/7/8。UART是在 USART基础上裁剪掉了同步通信功能，只剩下异步通信功能。简单区分同步和异步就是看通信时需不需要对外提供时钟输出，我们平时用串口通信基本都是异步通信。如下表是USART和UART的功能对比表。
图14.2.1. 1STM32MP157的USART和UART的功能对比 2. 串口时钟 STM32MP1的每一路串口的时钟均可以来自于HSE、CSI和HSI、PLL4Q。而USART1时钟还可以来源于APB5和PLL3Q，USART2/3以及UART4/5/7/8的时钟还可以来自于APB1，USART6的时钟还可以来自于APB2，如下时钟树的部分截图所示（图中USART和UART标注的不是很正确）
图14.2.1. 2 STM32MP157的串口时钟来源 USART1只供Cortex-A7使用，而其余的串口Cortex-A7和Cortex-M4均可以使用，其中USART1的频率最大为133MHz，其余的6个串口的时钟最大为104.5MHz。其中，UART2/3/4/5/7/8挂在APB1总线上，UART6挂在APB2总线上，UART1挂在APB5总线上。下图是参考手册中串口数据的部分截图。
图14.2.1. 3 STM32MP157的串口时钟来源 14.2.2 USART寄存器 STM32MP1的串口和其它STM32串口一样，只要你开启了串口时钟，并设置相应IO口的模式，然后配置波特率、数据位长度、奇偶校验位等信息，就可以使用了。下面，我们就简单介绍下几个与串口基本配置直接相关的寄存器。
- 串口时钟使能寄存器 串口作为STM32MP157的一个外设，其时钟由APB1外设时钟使能寄存器RCC_MC_APB1ENSETR控制，我们后面实验中用到的串口4是在RCC_MC_APB1ENSETR寄存器的第16位，只要对该位写1即可使能串口4的时钟。在后面的实验中，通过在STM32CubeMX上配置，系统会自动为我们完成这步操作。
图14.2.2. 1 APB1外设使能MCU设置寄存器 2. 串口波特率设置寄存器
图14.2.2. 2串口波特率设置寄存器 串口波特率由USART_BRR寄存器来设置，它属于可读可写寄存器，仅低0~15位有效，其它位保留，仅当禁用USART（UE = 0）时才能写入该寄存器，在自动波特率检测模式下，该位由硬件自动更新。前面我们也说了，USART_BRR寄存器的第4~15位，BRR[15:4] = USARTDIV[15:4]，剩下的第0~3位分情况： 当OVER8 = 0，BRR[3:0] = USARTDIV[3:0]。 当OVER8 = 1，BRR[2:0] = USARTDIV[3:0]，右移1位。（BRR [3]必须保持清除状态，即为0）。 3. 串口控制寄存器 参考手册中将串口控制寄存器USART_CR1分为两种情况来介绍，一种是在启用FIFO模式下，另一种是在禁用FIFO模式下。这里我们以启用FIFO模式下的情况来介绍。
图14.2.2. 3串口控制寄存器 串口控制寄存器32位可设，大部分位可以由软件置1或者清除，我们这里仅分析常用的几位，其它位需要的时候可以再根据参考手册来分析。 第0位，UE为USART使能位。将UE位置1表示使能串口，清0表示禁止USART输出，并进入低功耗模式。 第2位，RE接收器使能位。0：禁止接收器； 1：使能接收器并开始搜索起始位。 第3位，TE表示发送使能位。 0：禁止发送器； 1：使能发送器。 第4位，IDLE 中断使能。0：禁止中断；1：当 USART_ISR 寄存器中的 IDLE=“1”时，生成 USART 中断。 第5位，RXNEIE/RXFNEIE接收数据寄存器非空/RXFIFO 非空中断使能。0：禁止接收器；1：当 USART_ISR 寄存器中的 ORE=“1”或 RXNE/RXFNE=“1”时，生成 USART 中断。 第6位，TCIE表示传输完成中断使能位。0：禁止中断；1：当 USART_ISR 寄存器中的 TC=“1”时，生成 USART 中断。 第7位，TXFNFIE表示发送数据寄存器为空/TXFIFO 未满中断使能，0：禁止中断；1：每当USART_ISR寄存器中的TXFNF = 1时，都会产生USART中断。 第8位，PEIE属于PE中断使能。0：表示禁止中断；1：当 USART_ISR 寄存器中的 PE=“1”时，生成 USART 中断 第9位，PS为校验位选择位。0：偶校验；1：寄校验。仅当禁用USART（UE=0）时，才可以写此位。 第9位，PCE为奇偶校验控制使能位。0：禁止奇偶校验控制；1：使能奇偶校验控制。仅当禁用USART（UE=0）时，才可以写此位。 第10位，PCE表示校验启用位。0：禁用奇偶校验控制，1：启用奇偶校验控制。仅当禁用USART（UE = 0）时才能写入该位。这里，如果启用了奇偶校验位的话，将计算出的奇偶校验位插入到MSB位置（如果M = 1，则为第9位；如果M = 0，则为第8位），并在接收到的数据上检查奇偶校验。 第12和第28位，M0、M1为字长设置位，M[1：0]=00，表示1个起始位，8个数据位，n个停止位；M[1：0]=01，表示1个起始位，9个数据位，n个停止位；M [1：0] ='10’表示1个起始位，7个数据位，n停止位；该位只能在禁止USART（UE = 0）时才可以写入，这里，n个停止位，n的个数，由USART_CR2的[13:12]位控制。 第15位，OVER8为过采样模式设置位。0：16倍过采样；1：8倍过采样。 第29位，FIFOEN为FIFO 模式使能位，0：禁止 FIFO 模式；1：使能 FIFO 模式。只有在禁止 USART（UE=“0”）时才能写入此位。 第30位，TXFIFO 为空时中断使能位。0：禁止中断；1：当 USART_ISR 寄存器中的 TXFE=“1”时，生成 USART 中断。 第31位，RXFIFO 变满时中断使能位。0：禁止中断；1：当 USART_ISR 寄存器中的 RXFF=“1”时，生成 USART 中断。 4. 数据发送与接收寄存器 STM32MP157的串口数据发送和数据接收由两个不同的寄存器组成，发送的数据在USART_TDR寄存器中，接收的数据在USART_RDR寄存器中，我们来看看这两个寄存器
图14.2.2. 4数据发送与接收寄存器 USART_RDR的其它位保留，只有第08位可读，其包含接收到的数据字符，具体多少位，由前面介绍的M[1:0]决定。类似的，USART_TDR的第08位包含要传输的数据字符。当我们需要发送数据的时候，往USART_TDR寄存器写入想要发送的数据，就可以通过串口发送出去了。而当有串口数据接收到，需要读取出来的时候，则必须读取USART_RDR寄存器的置。 我们前面有说过，在有效数据位中，一般是低位（LSB）在前，高位（MSB）在后，在启用奇偶校验的情况下进行接收时，在MSB位中读取的值为接收的奇偶校验位，什么意思呢？即当使能校验位(USART_CR1中PCE位被置1)进行发送时，写到MSB的值会被后来的校验位取代，当使能校验位进行接收时，读到的MSB位是接收到的校验位。对于启用奇偶校验的情况，USART的数据帧格式如下表所示：
表14.2.2. 1串口数据帧格式表 例如M[1:0]=00，PCE=1，停止位为1位的时候，数据有8位，不过第7位的值被校验位改写了，第7位是校验位了。数据位为7位和9位的情况也是类似。
图14.2.2. 5 MSB位会被后来的校验位改写 5. 串口状态寄存器 串口状态通过状态寄存器USART_ISR读取，其各位描述如图所示：
图14.2.2. 6串口状态寄存器 注： 可以在启用FIFO模式和禁用FIFO模式中使用同一寄存器。其中，如果启用FIFO /智能卡模式，则X = 2，如果启用了FIFO并且禁用了智能卡模式，则X = 0。 关于USART_ISR，我们也是介绍常用的几位，其它位大家可以根据参考手册来查阅。 第0位，PE表示校验错误位。0：无奇偶校验错误；1：奇偶校验错误。当在接收器模式下发生奇偶校验错误时，此位由硬件设置，在USART_ICR寄存器的第0位PECF中写入1即可将此位软件清除。 第1位，FE表示帧错误位。0：未检测到帧错误；1：检测到帧错误或 break 字符。当检测到帧错误时，该位将由硬件置位，在USART_ICR寄存器的第1位FECF写入1即可将此位软件清除。 第4位，检测到空闲线路。0：未检测到空闲线路；1：检测到空闲线路。当检测到空闲线路时，该位由硬件置 1，如果响USART_CR1 寄存器中的IDLEIE写1，可以清除此位。 第5位，RXNE表示读取数据寄存器非空/RXFIFO 非空。0：未接收到数据；1：已准备好读取接收到的数据。当RXFIFO不为空时，硬件会将RXFNE位置1，表示已经有数据被接收到了，并且可以从USART_RDR寄存器中读取数据，当RXFIFO为空时，RXFNE的值被硬件清0，也可以软件上通过将1写入USART_RQR寄存器中的RXFRQ位来清除RXFNE标志。 第6位，TC（传输完成），当该位被置位的时候，表示USART_TDR内的数据已经被发送完成了（如果TE位被复位且没有正在进行的传输，则TC位将立即置1），如果为0，表示没有传输完成。该位也有两种软件清零方式： 1）读USART_ISR，写USART_TDR。 2）向USART_ICR寄存器的TCCF位写1。 寄存器的介绍就到此了，因为寄存器位数比较多，每位控制的功能还不一样，文档里不能把每一位都介绍一遍，而且也是记不住的，所以，我们在需要的时候再查看参考手册。 第7位，TXFNF表示发送数据寄存器为空/TXFIFO 未满。0：数据寄存器已满/发送 FIFO 已满；1：数据寄存器/发送 FIFO 未满。 第15位，ABRF表示：自动波特率标志。如果已设置自动波特率，或者自动波特率操 作未成功完成时，此位由硬件置 1。 第16位，BUSY表示忙标志。0：USART 处于空闲状态（无接收）；1：正在接收。 第23位，TXFIFO 为空。0：TXFIFO 非空；1：TXFIFO 为空。 第24位，RXFIFO 已满。0：RXFIFO 未满；1：RXFIFO 已满。 第26位，RXFT是RXFIFO 阈值标志。0：接收 FIFO 未达到编程的阈值；1：接收 FIFO 已达到编程的阈值。 第27位，TXFT为TXFIFO 阈值标志。0：TXFIFO 未达到编程的阈值；1：TXFIFO 已达到编程的阈值。 关于寄存器我们就介绍到这里了，遇到寄存器配置不要慌，HAL库都为我们处理好了底层驱动，我们只是从寄存器层面去理解USART是怎样控制串口工作的，下面，我们来看看USART的框图。 14.2.3 USART框图 下面我们先来学习USART框图，通过USART框图引出USART相关的知识点，对之后的编程也会有一个清晰的思路。
图14.2.3. 1 USART框图 为了方便大家理解，我们把整个框图用几根红线分成几个部分来介绍。
- 时钟与波特率 框图中①区域主要功能就是为USART提供时钟以及配置波特率。 时钟： 在USART框图中，可以看到有两个时钟域：usart_pclk 时钟域和usart_ker_ck 内核时钟域。 （1）usart_pclk是外设总线时钟，需要访问 USART 寄存器时，该信号必须有效。 （2）usart_ker_ck是USART时钟源，独立于 usart_pclk，由RCC提供。因此，即使usart_ker_ck 时钟停止，也可以连续对 USART 寄存器进行读/写操作。 usart_pclk和usart_ker_ck之间没有约束，usart_ker_ck可以比usart_pclk更快或更慢，唯一的限制是软件足够快地管理通信的能力。当USART在SPI从模式下工作时，它使用从外部主SPI设备提供的外部SCLK信号得出的串行接口时钟来处理数据流，usart_ker_ck时钟必须至少比CK输入上的时钟快3倍。 波特率： 波特率，即每秒钟传输的码元个数，在二进制系统中（串口的数据帧就是二进制的形式），比特率与波特率的数值相等，所以我们今后在把串口波特率理解为每秒钟传输的二进制位数。波特率的计算公式分为16倍过采样和8倍过采样： 在16倍过采样（或者在LIN模式）的情况下，波特率通过以下公式得出：
在8倍过采样的情况下，波特率通过以下公式得出：
以上公式中，Tx/Rx baud表示串口的波特率；usart_ker_ckpres为真正到USART的时钟频率（uart_ker_ck_pres是UART输入时钟除以预分频值后的数值），在usart_ker_ck不分频的情况下，USART1的时钟频率最大为133MHz，其余6个串口的时钟频率最大为104.5MHz。 USARTDIV是一个存放在USART_BRR寄存器中的无符号定点数，其值和USART_CR1寄存器的第15位有关，USART_CR1寄存器的第15位为OVER8，用于设置采样模式。为了从噪声中提取到一个有效目标信号，一般会采用一个频率比较高的信号去采样目标信号，如8倍过采样和16倍过采样，倍数越高，采样的次数越多，采样速度越慢，但是采样后得到的数据越准确。如8倍过采样的速度高达：usart_ker_ck_pres/8。 当OVER8值为0时，表示16倍过采样，此时BRR = USARTDIV； 当OVER8值为1时，表示8倍过采样，此时BRR[2:0] = USARTDIV[3:0]，相对于OVER8值为0的情况，这里BRR右移了1位，变成BRR[2:0]，此时BRR[3]必须保持清零； 不管是16倍还是8倍，BRR[15:4]都等于USARTDIV[15:4]，且USARTDIV都必须大于或等于 16（10进制）。 下面举个例子说明来说明此公式： 当在16倍过采样时，如果需要得到 115200 的波特率，此时usart_ker_ckpre =104.5MHZ，那么可得：
计算出USARTDIV = 907（10进制），可解得 BRR = USARTDIV =388（16进制），那么需要设置USART_BRR 的值为 0x388。这里的USARTDIV是有余数的，我们用四舍五入进行取整，这样会导致波特率会有所偏差，而这样的小误差是可以被允许的。8倍过采样计算方法类似。 2. 收发数据 框图中②区域部分包含了USART双向通信需要的两个引脚： TX：发送数据输出引脚。 RX：接收数据输入引脚。采用过采样技术进行数据恢复，用于区分有效输入数据和噪声。 USART_TDR是USART发送数据寄存器，要发送什么数据，就往这个寄存器里写数据即可，其低9位有效。USART_RDR是USART接收数据寄存器，包含接收到的数据字符，要接收什么数据，读这个寄存器即可，其低9位有效。 USART有一个发送 FIFO (TXFIFO) 和一个接收 FIFO (RXFIFO)，所以USART可以工作在FIFO 模式下，可以通过将 USART_CR1寄存器中的 FIFOEN（第29位）置 1 来使能 FIFO 模式。RXFIFO 的默认宽度为 12 位，即最大9位数据+1位奇偶校验位+1位噪声错误+1位帧错误标志。如果使能FIFO，写入到发送数据寄存器 (USART_TDR) 中的数据会在 TXFIFO 中排队，然后再通过TX移位寄存器发送到RX移位寄存器，再由RX移位寄存器发送到RxFIFO，然后USART_RDR寄存器从RxFIFO中获得数据。 向 USART_TDR 中写入要发送的数据前，发送使能位 (TE) 先置 1以激活发送器功能，发送移位寄存器(USART_TDR)中的数据在 TX 引脚输出，默认情况下，先发送数据的最低位（LSB），相应的时钟脉冲在SCLK 引脚输出。一旦向发送数据寄存器中写数据，UART的BUSY位开始有效，当从发送移位寄存器发送最后一个字符（包括停止位）才变无效。 RX接收字符时，如果已禁止 FIFO 模式，则,RXNE位置1，表明移位寄存器的内容已传送到 RDR，也就是说，已接收到并可读取数据；如果已使能 FIFO 模式，则RXFNE位置1，这表示 RXFIFO 非空，读取 USART_RDR会返回输入到 RXFIFO 中的最早数据。 发送器可发送 7 位、8 位或 9 位的数据字，具体取决于 M 位的设置，通USART控制寄存器1(USART_CR1)的 M位（M0：位 12，M1：位 28）来设置： 7 位字符长度：M[1:0] =“10” 8 位字符长度：M[1:0] =“00” 9 位字符长度：M[1:0] =“01” 每个字符从起始位开始到可配置数量的停止位终止，停止位的数量可配置为 0.5、1、1.5 或 2位。在默认情况下，信号（TX 或 RX）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。如果发送期间复位TE 位会冻结波特率计数器，当前发送的数据随即丢失，使能 TE 位时，将发送空闲帧，空闲帧发送将包括停止位。 3. 控制寄存器 框图中③区域部分，我们可以通过控制寄存器控制USART数据的发送、数据接收、各种通信模式的设置、中断、DMA 模式还有唤醒单元等。前面部分我们已经介绍了对应的寄存器。 4. DMA和IRQ中断功能 框图中④区域部分涉及两个接口：IRQ和DMA中断接口。 USART支持DMA传输，可以实现高速数据传输，具体我们会在DMA实验中为大家讲解。在 USART 通信过程中，中断可由不同事件生成，同时支持 USART 模块生成唤醒中断。常用的中断比如：发送数据寄存器为空、发送 FIFO 未满、发送完成、接收 FIFO 非空、接收 FIFO 已满等。有关所有 USART 中断请求的详细说明可以查看参考手册详细列表。 5. USART信号引脚 框图中⑤区域部分是USART信号的引脚。 在 RS232 硬件流控制模式下需要以下两个引脚： CTS（清除以发送）：发送器在发送下一帧数据之前会检测 CTS 引脚，如果为低电平，表示可以发送数据，如果为高电平则在发送完当前数据帧之后停止发送。 RTS（请求以发送）：如果为低电平，则该信号用于指示 USART 已准备好接收数据。 在 RS485 硬件控制模式下需要下面这个引脚： DE（驱动器使能）：该信号用于激活外部收发器的发送模式。 在同步主/从模式和智能卡模式下需要以下引脚： CK：该引脚在同步主模式和智能卡模式下用作时钟输出，在同步从模式下用作时钟输入。 NSS：该引脚在同步从模式下用作从器件选择输入。 这些引脚我们暂时都没有用到，就给大家简单提一下。 注： DE和 RTS共用同一个引脚。 6. USART工作过程 前面我们分析了USART的框图和串口相关的寄存器，后面的开发中我们使用的是HAL库，HAL库中对这些寄存器的操作已经封装好了，这里我们从寄存器的层面大概了解USART的工作过程： （1）USART发送器 要发送字符，需遵循以下步骤： ①设置USART_CR1 中的 M 位以配置字长； ②设置USART_BRR 寄存器以选择所需波特率； ③配置USART_CR2 中的STOP[1:0]位以配置停止位数； ④将USART_CR1 寄存器中的 UE 位写入 1 以使能 USART； ⑤如果必须进行多缓冲区通信，请选择 USART_CR3 中的 DMA 使能 (DMAT)； ⑥将 USART_CR1 中的 TE 位置 1 以使能发送器，在首次发送时发送一个空闲帧； ⑦在 USART_TDR 寄存器中写入要发送的数据。为每个要在单缓冲区模式下发送的数据重复这一步骤： —禁止 FIFO 模式时，向 USART_TDR 写入数据会将 TXE 标志清零； —使能 FIFO 模式时，向 USART_TDR 写入数据会为 TXFIFO 增添一个数据。当 TXFNF标志置 1 时，会对 USART_TDR 执行写操作。该标志会保持置 1，直到 TXFIFO已满。 ⑧将最后一个数据写入 USART_TDR 寄存器后，等待 TC =1（表示传送已完成）。也是分为两种情况： —禁止 FIFO 模式时，这表示最后一个帧的发送已完成； —使能 FIFO 模式时，这表示 TXFIFO 和移位寄存器均为空。
图14.2.3. 2串口发送时TC/TXE的行为 注： TXE位为1表示数据寄存器/发送 FIFO 未满，为0表示数据寄存器已满/发送 FIFO 已满； TC位为1表示传送已完成，为0表示未发送完成。 （2）USART接收器 接收器采用过采样来判断接收到的数据是否准确。在空闲状态时，传送线为高电平状态（逻辑1），而数据的起始位是逻辑0。当接收器检测到一个从1到0的跳变沿的时候，便视为可能的起始位（可能是存在干扰引起跳变），接收器是怎么去判断接收到的数据是否有效呢？ 它采用了起始位检测序列来判断，当以16或8倍过采样时，此序列均为：1110 X 0X0X0 000，其中 X表示电平任意，可以为0或者1。如果检测到的序列不完整，则起始位检测将中止，接收器返回空闲状态，在该状态中等待下降沿。如果针对第 3 位、第 5 位和第 7 位进行首次采样时检测到这3位均为“0”；针对第 8 位、第 9 位和第 10 位进行第二次采样时仍检测到这3位均为“0”，则表示起始位有效。如下图所示：
图14.2.3. 3串口过采样时检测有效位 USART 接收期间，首先通过 RX 引脚移出数据的最低有效位（默认配置）。 字符接收步骤： ①设置USART_CR1 中的M位以配置字长； ②设置USART_BRR 寄存器以选择所需波特率； ③配置USART_CR2 中的STOP[1:0]位以配置停止位数； ④将USART_CR1 寄存器中的UE位写入 1 以使能 USART； ⑤如果将进行多缓冲区通信，请选择 USART_CR3 中的 DMA 使能 (DMAR)。 ⑥将USART_CR1的RE位置1以使能接收器开始搜索起始位。 14.2.4 GPIO引脚复用功能 芯片的外设有很多，而芯片的引脚资源却是有限的，如何在有限的引脚里拓展出更多的功能呢，这里就涉及到了复用。复用，就是说，一个引脚除了可以当做普通的IO口功能以外，还可以与一些外设关联起来，作为第二功能或者第三功能甚至更多的功能使用，不过在这些功能当中，在同一个时刻中只能选用其中一种功能来用，这样就不会导致冲突。
- 复用功能寄存器 前面我们是有介绍GPIO的部分寄存器，这里，我们再来熟悉和复用功能有关的两个寄存器： GPIOx_AFRL和GPIOx_AFRH（复用功能高位寄存器和复用功能低位寄存器） 有两个32位的复用功能寄存器（或者称为多路复用器），AFRL和AFRH，每4个位配置一个IO口的复用功能，AFRL配置第0至第7个IO口，AFRH 配置第8至第15个IO口，总共16和IO口，每个IO口可以选择AF0至AF15中的某个复用功能（具体根据数据手册中的复用功能映射表来确定）。复位后，多路复用器选择为复用功能AF0，复位后的IO口工作模式由MODER和AFRL/H寄存器共同决定。
图14.2.4. 1 AFRL寄存器 2. 复用功能映射表 IO口并不是想复用什么功能都可以，是有规定的，每个 IO 引脚的复用可以通过查阅数据手册的复用功能映射表来确定，例如我们需要配置PG11复用为UART4_TX，即多路复用器选择为复用功能AF6，则配置寄存器GPIOG_AFRL的AFR11的第12至第15位为0110。虽然可以在STM32CubeMX插件上可以使用图形界面来配置IO口的复用功能，但是它是怎么配置的我们还是要知道的。
图14.2.4. 2 Port G引脚复用 3. 复用功能选择宏定义 我们的开发板上，USB_TTL这个接口使用的是PG11和PB12，他们复用成UART4来用了，从上表中看出PG11可以复用为UART4_TX，是在AF6这一列。在HAL库的stm32mp1xx_hal_gpio_ex.h文件中可以找到这些复用的宏定义：
/** * @brief AF 6选择 */
#define GPIO_AF6_SPI3 ((uint8_t)0x06) /* SPI3复用功能映射 */
#define GPIO_AF6_SAI1 ((uint8_t)0x06) /* SAI1复用功能映射 */
#define GPIO_AF6_SAI3 ((uint8_t)0x06) /* SAI3复用功能映射 */
#define GPIO_AF6_SAI4 ((uint8_t)0x06) /* SAI4复用功能映射 */
#define GPIO_AF6_I2C4 ((uint8_t)0x06) /* I2C4复用功能映射 */
#define GPIO_AF6_DFSDM1 ((uint8_t)0x06) /* DFSDM1复用功能映射 */
#define GPIO_AF6_UART4 ((uint8_t)0x06) /* UART4复用功能映射 */
AF6的宏定义的值都是一样的，即都是(uint8_t)0x06，这些宏名只是为了区分是当做哪个外设而已，例如我们开发板的外设是串口4，所以就很容易选择到我们要复用的功能对应的宏定义，就是GPIO_AF6_UART4。具体的场景应用会在我们后面的实验中有所体现。
14.3 HAL库中串口相关的API 为了更好地使用HAL库来实现串口功能，下面我们来介绍HAL库中和本实验相关的结构体和API函数。 14.3.1 结构体和句柄 我们先来看看和串口相关的结构体和句柄。我们在介绍HAL库的时候有提到句柄（Handle），句柄在HAL库中是一个指针，指针指向地址，在调用API函数的时候，可以利用句柄来说明要操作哪些资源。在stm32mp1xx_hal_uart.h中有定义句柄和结构体。
- USART_TypeDef结构体 通过第5.2.3小节总线架构分析，我们知道UART4挂在APB1总线上，UART4的地址范围是0x40010000 ~ 0x400103FF，即UART4的基地址是0x40010000。我们前面也说过（第6.3.2小节），通过寄存器的基地址和偏移地址就可以访问一个寄存器，而HAL里边使用了大量的结构体来对寄存器进行了封装，如果我们要配置某个寄存器，只需要定义一个结构体指针，然后通过指针来配置这个结构体里面的成员变量，当结构体成员配置号以后，HAL库就会根据这些配置来初始化IO。USART_TypeDef结构体定义如下：
/* UART句柄结构定义 */
typedef struct
{
__IO uint32_t CR1; /* USART控制寄存器1，地址偏移量：0x00 */
__IO uint32_t CR2; /* USART控制寄存器2，地址偏移量：0x04 */
__IO uint32_t CR3; /* USART控制寄存器3，地址偏移量：0x08 */
__IO uint32_t BRR; /* USART波特率寄存器，地址偏移量：0x0C */
__IO uint16_t GTPR; /* USART保护时间和预分频器寄存器，地址偏移量：0x10 */
uint16_t RESERVED2; /* 保留，0x12 */
__IO uint32_t RTOR; /* USART接收器超时寄存器，地址偏移量：0x14 */
__IO uint16_t RQR; /* USART请求寄存器，地址偏移量：0x18 */
uint16_t RESERVED3; /* 保留，0x1A */
__IO uint32_t ISR; /* USART中断和状态寄存器，地址偏移量：0x1C */
__IO uint32_t ICR; /* USART中断标志清除寄存器，地址偏移量：0x20 */
__IO uint16_t RDR; /* USART接收数据寄存器，地址偏移量：0x24*/
uint16_t RESERVED4; /* 保留，0x26 */
__IO uint16_t TDR; /* USART发送数据寄存器，地址偏移量：0x28 */
uint16_t RESERVED5; /* 保留，0x2A */
__IO uint32_t PRESC; /* USART时钟预分频器寄存器，地址偏移量：0x2C */
uint32_t RESERVED6[239]; /* 预留0x30-0x3E8 */
__IO uint32_t HWCFGR2; /* USART 配置2寄存器，地址偏移量：0x3EC */
__IO uint32_t HWCFGR1; /* USART 配置1寄存器，地址偏移量：0x3F0 */
__IO uint32_t VERR; /* USART版本寄存器，地址偏移量：0x3F4 */
__IO uint32_t IPIDR; /* USART标识寄存器，地址偏移量：0x3F8 */
__IO uint32_t SIDR; /* USART时钟大小识别寄存器，地址偏移量：0x3FC */
} USART_TypeDef;
我们在前面有分析过，__IO在core_m4.h 文件中有定义，表示volatile，volatile表示强制编译器减少优化，告诉编译器必须每次去内存中取变量值。
#define __IO volatile 2. UART_InitTypeDef结构体 UART_InitTypeDef结构体主要用于设置串口的波特率、数据位长度、停止位数、过采样倍数等信息，通过对结构体成员的写操作即可实现这些设置，其定义如下：
/* UART初始化结构定义 */
typedef struct
{
uint32_t BaudRate; /* 该成员配置UART通信波特率 */
uint32_t WordLength; /* 指定在一帧中发送或接收的数据位数 */
uint32_t StopBits; /* 指定发送的停止位数 */
uint32_t Parity; /* 指定奇偶校验模式 */
uint32_t Mode; /* 指定启用还是禁用接收或发送模式 */
uint32_t HwFlowCtl; /* 指定启用还是禁用硬件流控制模式 */
uint32_t OverSampling; /* 指定是否启用过采样8 */
uint32_t OneBitSampling; /* 指定是选择单个样本还是三个样本 */
uint32_t ClockPrescaler; /* 指定用于分频UART时钟源的预分频器值 */
} UART_InitTypeDef;
（1）BaudRate：设置波特率，一般设置为 2400、9600、19200、115200； （2）WordLength：设置数据位数，可选 8 位或 9 位。后面的实验我们设置为8位字长； （3）StopBits：设置停止位个数，可选0.5个、1个、1.5个和2个停止位，后面的实验我们选择1个停止位； （4）Parity：设置奇偶校验位，我们设定为无奇偶校验位。 （5）Mode：设置UART模式选择，可以设置为只收模式、只发模式、或者收发模式。我们选择设置为全双工收发模式。 （6）HwFlowCtl：硬件流控制选择，我们选择为无硬件流控制。 （7）OverSampling：过采样选择，可选择8倍过采样或者16过采样，我们可以选择16过采样。 3. UART_AdvFeatureInitTypeDef结构体 如下是UART高级功能初始化结构定义，ST新出的芯片添加了一些新特性，其中： 自动波特率检测是指某一方可以自动检测对方传输数据时的波特率，从而自动采用与对方相同的波特率进行数据传输，而不需要人工去设置波特率。 是否交换TX和RX引脚是否反转是指：RXD和TXD管脚互换。有时候，我们在外接串口引脚时，可能会犯低级错误，会将RXD和TXD引脚的两根线接反了，只能拆下来重新接。不过STM32MP1以及STM32H7系列的串口是支持RXD和TXD管脚互换的，通过设置SWAP位即可将RXD和TXD管脚互换。 指定TX/RX引脚的活动电平是否反转：通常默认串口高电平为逻辑1，低电平为逻辑0， 而在STM32的USART新特性中是可以将高电平设置为逻辑0，低电平设置为逻辑1的。 关于串口的新特性我们就介绍到这里，感兴趣的小伙伴可以自行查阅参考手册的介绍。 /* UART高级功能初始化结构定义 */
typedef struct
{
/* 指定初始化哪些高级UART功能，可同时初始化几个高级功能 */
uint32_t AdvFeatureInit;
uint32_t TxPinLevelInvert; /* 指定TX引脚的活动电平是否反转 */
uint32_t RxPinLevelInvert; /* 指定RX引脚的活动电平是否反转 */
uint32_t DataInvert; /* 指定是否反转数据（正逻辑/正逻辑与负逻辑/反逻辑）*/
uint32_t Swap; /* 指定是否交换TX和RX引脚 */
uint32_t OverrunDisable; /* 指定是否禁用接收溢出检测 */
uint32_t DMADisableonRxError; /* 指定在接收错误的情况下是否禁用DMA */
uint32_t AutoBaudRateEnable; /* 指定是否启用自动波特率检测 */
uint32_t AutoBaudRateMode;/* 如启用了自动波特率检测，请指定如何进行速率检测 */
uint32_t MSBFirst; /* 指定是否首先在UART线上发送MSB */
} UART_AdvFeatureInitTypeDef;
4. UART_HandleTypeDef句柄
UART_HandleTypeDef句柄是基于以上结构体以及HAL库的函数封装后的，其定义如下：
/* UART句柄结构定义 */
typedef struct __UART_HandleTypeDef
{
USART_TypeDef *Instance; /* UART寄存器基地址 */
UART_InitTypeDef Init; /* UART通讯参数 */
UART_AdvFeatureInitTypeDef AdvancedInit; /* UART高级功能初始化参数 */
uint8_t *pTxBuffPtr; /* 指向UART Tx传输缓冲区的指针 */
uint16_t TxXferSize; /* UART Tx传输大小 */
__IO uint16_t TxXferCount; /* UART Tx传输计数器 */
uint8_t *pRxBuffPtr; /* 指向UART Rx传输缓冲区的指针 */
uint16_t RxXferSize; /* UART Rx传输大小 */
__IO uint16_t RxXferCount; /* UART Rx传输计数器 */
uint16_t Mask; /* UART Rx RDR寄存器掩码 */
uint32_t FifoMode; /* 指定是否正在使用FIFO模式 */
uint16_t NbRxDataToProcess; /* RX ISR执行期间要处理的数据数 */
uint16_t NbTxDataToProcess; /* TX ISR执行期间要处理的数据数 */
/* Rx IRQ处理程序上的函数指针 */
void (*RxISR)(struct __UART_HandleTypeDef *huart);
/* Tx IRQ处理程序上的函数指针 */
void (*TxISR)(struct __UART_HandleTypeDef *huart);
DMA_HandleTypeDef *hdmatx; /* UART Tx DMA句柄参数 */
DMA_HandleTypeDef *hdmarx; /* UART Rx DMA句柄参数 */
#ifdef HAL_MDMA_MODULE_ENABLED
MDMA_HandleTypeDef *hmdmatx; /* UART Tx MDMA句柄参数 */
MDMA_HandleTypeDef *hmdmarx; /* UART Rx MDMA句柄参数 */
#endif /* HAL_MDMA_MODULE_ENABLED */
HAL_LockTypeDef Lock; /* 锁定对象 */
/* 与全局句柄管理以及Tx操作有关的UART状态信息 */
__IO HAL_UART_StateTypeDef gState; /*与Tx操作有关的UART状态信息 */
__IO HAL_UART_StateTypeDef RxState; /* 与Rx操作有关的UART状态信息 */
__IO uint32_t ErrorCode; /* UART错误代码 */
#if (USE_HAL_UART_REGISTER_CALLBACKS == 1)
void (* TxHalfCpltCallback)(struct __UART_HandleTypeDef *huart);
void (* TxCpltCallback)(struct __UART_HandleTypeDef *huart);
void (* RxHalfCpltCallback)(struct __UART_HandleTypeDef *huart);
void (* RxCpltCallback)(struct __UART_HandleTypeDef *huart);
void (* ErrorCallback)(struct __UART_HandleTypeDef *huart);
void (* AbortCpltCallback)(struct __UART_HandleTypeDef *huart);
void (* AbortTransmitCpltCallback)(struct __UART_HandleTypeDef *huart);
void (* AbortReceiveCpltCallback