文章目录

一、USART是什么？
二、硬件基础
- 1.USART主机接USART从机
- 2.USART主机接电脑USB
- 3.USART主机接RS232从机
- 4.USART主机接RS485从机
三、功能框图
- 1.功能引脚
- 2.数据寄存器
- 3.控制与状态寄存器
- - （1）发送
  - （2）接收
- 4.波特比率寄存器
- 5.保护时间和预分频寄存器
四、代码编写
- 1.中断接收
- - （1）发送一个字节
  - （2）发送8位的数组
  - （3）发送字符串
  - （4）发送一个16位数
  - （5）串口中断服务函数
- 2.DMA
- 3.printf重定向
- 4.标准库函数解释
总结
参考文献

一、USART是什么？

USART全称Universal Synchronous/Asynchronous Receiver/Transmitter，即通用同步异步收发器，是一个全双工通用同步/异步串行收发模块。在嵌入式领域，它还有一个更口语化的称呼，即“串口”。

跟USART相似的还有一个UART，它是在USART基础上裁剪掉了同步通信功能，UART应用更为普遍。

二、硬件基础

USART仅规定了协议层通信标准，物理层硬件可以根据通讯对象灵活选择。

1.USART主机接USART从机

这种情况不用进行任何转换，直接将信号线交叉连接，地线直接连接即可。

2.USART主机接电脑USB

一般的单片机硬件设计都会预留一个USART连接电脑，用于在调试程序时可以将调试信息打印在电脑端的串口调试助手。
但单片机的USART无法直接与PC通讯，需要借助CH340或CP2102等芯片实现USB与USART的相互转化。

3.USART主机接RS232从机

单片机的USART无法直接与232设备通讯，需要借助MAX232等芯片实现232与USART的相互转化。

4.USART主机接RS485从机

单片机的USART无法直接与485设备通讯，需要借助MAX485等芯片实现485与USART的相互转化。

三、功能框图

1.功能引脚

TX:数据发送
RX:数据接收
SW_RX:略
nRTS:硬件流控制，略
nCTS:硬件流控制，略
SCLK:仅适用于同步模式，略

2.数据寄存器

数据寄存器USART_DR只有低9位有效，并且第9位是否有效受CR1寄存器的M位控制，详见控制寄存器部分。

USART_DR实际包含两个寄存器，一个用于发送的TDR，一个用于接收的RDR。发送时往USART_DR写入数据会自动存入TDR，读取USART_DR会自动提取RDR的数据。

3.控制与状态寄存器

该部分寄存器囊括了USART接收发送的功能控制，收发状态监视，中断控制。

RE:接收使能
TE:发送使能
RXNEIE:接收缓冲区非空中断使能
TCIE:发送完成中断使能
PS:校验位（0:偶校验，1:奇校验）
PCE：校验控制使能
M:字长（0:8位，1:9位）
UE：USART使能

STOP:停止位
00：1个停止位；
01：0.5个停止位；
10：2个停止位；
11：1.5个停止位；

DMAT:DMA使能发送
DMAR:DMA使能接收

PE:校验错误
RXNE:读数据寄存器非空
TC：发送完成
TXE:发送数据寄存器空

TC与TXE的区别：数据从TDR发送到发送移位寄存器之后触发TXE置位，但数据还没有从TX引脚发送出去，只有数据从TX引脚发送出去之后，才算完成一次数据发送，触发TC置位。也就是说，TC相比TXE更进一步。

（1）发送

第一步：一般设置数据位为8位，停止位为1位，无校验位；//M=0,STOP=00,PCE=0;

此时字符帧格式为“起始位+数据帧+停止位”。

注意：奇偶校验只能验错，不能验对，校验准确率在50%以下，故一般设置为无校验。

第二步：使能USART，使能TE，即可启动数据发送，发送顺序为低位在前，高位在后

举例：以发送字符’A’为例，其ASCII码为65，二进制为0100 0001，则发送次序为1000 0010。

第三步：发送数据过程中需要等待TC标志位1，当其置位时，表示传输完成，如果之前有设置TCIE为1，则在数据传输完成时产生中断。

（2）接收

跟接收相似，使能RE 之后开始接收数据，接收完成后就把数据从移位寄存器移到RDR内，并把RXNE置位，如果之前将RXNEIE置位的话将触发中断。

4.波特比率寄存器

USART发送器和接收器使用相同的波特率，计算公式为：

波特率=fPLCK16×USARTDIV波特率=\frac{fPLCK}{16\times USARTDIV} 波特率=16×USARTDIVfPLCK
其中fPCLK为USART时钟，以F1为例，USART1挂载在APB2总线上，时钟频率为72M，USART2挂载在APB1总线上，时钟频率为36M。

USARTDIV由BRR寄存器定义，低4位定义其小数部分，高12位定义其整数部分。

例子：如果要波特率为115200，则由：
115200=7200000016×USARTDIV115200=\frac{72000000}{16\times USARTDIV} 115200=16×USARTDIV72000000
得到USARTDIV=39.0625，DIV_Fraction=0.0625*16=0x01,DIV_Mantissa=39=0x17,则BRR应设置为0x171。

有时候不能保证经过配置后的实际波特率与目标波特率完全相等，但允许10%以内的误差，要知道USART是支持异步通信的，收发双方波特率不用完全一致。

波特率与比特率的区别：比特率容易理解，即bit/s，波特率表示每秒传输多少个码元，常见的通讯中一个码元表示两种状态（0或1），要知道一个比特也表示两种状态（0或1），所以大部分情况下比特率与波特率从数值上是划等号的（单位不一样）。

假设某种通讯中一个码元表示4种状态（ABCD），物理上可以用0V、2V、4V、6V表示。此时必须用两个二进制才能表示此种通讯下的一个状态（00表示A,01表示B，10表示C，11表示D），也就是一个码元对应两个二进制位，码元数是二进制数的一半，故波特率是比特率的一半。

波特率=比特率/每符号含的比特数波特率=比特率/每符号含的比特数波特率=比特率/每符号含的比特数

比特率仅是二进制下的概念，波特率是所有进制下的概念，比特率是波特率的子集。

关于不同波特率对应的传输速度
常见波特率从2400到460800不等，2400即

2400/8/1024=0.29kb/s2400/8/1024=0.29kb/s 2400/8/1024=0.29kb/s
115200即

115200/8/1024=14.06kb/s115200/8/1024=14.06kb/s 115200/8/1024=14.06kb/s
460800即

460800/8/1024=56.25kb/s460800/8/1024=56.25kb/s 460800/8/1024=56.25kb/s

USART对波特率其实没有上限，需要考虑到实际通信双方的参数要求，F1的波特率最高支持4.5Mb/s

5.保护时间和预分频寄存器

智能卡模式或红外模式下需要配置GTPR，此处省略。

四、代码编写

下面的代码都是基于“USART主机接电脑USB”硬件基础编写的。

1.中断接收

功能：主机可向PC发送字节、数组、字符串、16位数据；主机通过中断方式接收数据。
首先是硬件初始化：

void USART_Config(void)
{GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;USART_InitTypeDef USART_InitStructure;// 打开串口用到的GPIO的时钟DEBUG_USART_GPIO_APBxClkCmd(DEBUG_USART_GPIO_CLK, ENABLE);// 打开串口外设的时钟DEBUG_USART_APBxClkCmd(DEBUG_USART_CLK, ENABLE);// 将USART Tx的GPIO配置为推挽复用模式GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = DEBUG_USART_TX_GPIO_PIN;GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_AF_PP;GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;GPIO_Init(DEBUG_USART_TX_GPIO_PORT, &GPIO_InitStructure);// 将USART Rx的GPIO配置为浮空输入模式GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = DEBUG_USART_RX_GPIO_PIN;GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_IN_FLOATING;GPIO_Init(DEBUG_USART_RX_GPIO_PORT, &GPIO_InitStructure);// 配置串口的工作参数// 配置波特率（BRR寄存器）USART_InitStructure.USART_BaudRate = DEBUG_USART_BAUDRATE;// 配置数据字长（CR1寄存器M位）USART_InitStructure.USART_WordLength = USART_WordLength_8b;// 配置停止位（CR2寄存器STOP位）USART_InitStructure.USART_StopBits = USART_StopBits_1;// 配置校验位（CR1寄存器PCE位）USART_InitStructure.USART_Parity = USART_Parity_No ;// 配置硬件流控制USART_InitStructure.USART_HardwareFlowControl = USART_HardwareFlowControl_None;// 配置工作模式，收发一起(CR1寄存器TE/RE位)USART_InitStructure.USART_Mode = USART_Mode_Rx | USART_Mode_Tx;// 完成串口的初始化配置USART_Init(DEBUG_USARTx, &USART_InitStructure);// 串口中断优先级配置NVIC_Configuration();// 使能串口接收中断(CR1寄存器RXNEIE位)USART_ITConfig(DEBUG_USARTx, USART_IT_RXNE, ENABLE);   // 使能串口(CR1寄存器UE位)USART_Cmd(DEBUG_USARTx, ENABLE);
}

为什么TXD/RXD要配置为推挽复用和浮空输入模式？

答：数据手册规定，具体可看【STM32】GPIO末尾

其中的串口中断优先级配置函数：

static void NVIC_Configuration(void)
{NVIC_InitTypeDef NVIC_InitStructure;/* 嵌套向量中断控制器组选择 */NVIC_PriorityGroupConfig(NVIC_PriorityGroup_2);/* 配置USART为中断源 */NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannel = DEBUG_USART_IRQ;/* 抢断优先级*/NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelPreemptionPriority = 1;/* 子优先级 */NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelSubPriority = 1;/* 使能中断 */NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelCmd = ENABLE;/* 初始化配置NVIC */NVIC_Init(&NVIC_InitStructure);
}

到此初始化已经完成，可以开始发送数据。

（1）发送一个字节

void Usart_SendByte( USART_TypeDef * pUSARTx, uint8_t ch)
{/* 发送一个字节数据到USART */USART_SendData(pUSARTx,ch);/* 等待发送数据寄存器为空，置位后即退出循环 *//* 但TXE置位并不代表数据已从TXD引脚发送完毕，只是说明发送寄存器空了，可以填装下一个数据了 */while (USART_GetFlagStatus(pUSARTx, USART_FLAG_TXE) == RESET);
}

USART_SendData是标准库函数，其定义如下：

void USART_SendData(USART_TypeDef* USARTx, uint16_t Data)
{/* Check the parameters */assert_param(IS_USART_ALL_PERIPH(USARTx));assert_param(IS_USART_DATA(Data)); /* Transmit Data *//* 可以看出它是往DR寄存器直接装填数据*//* DR寄存器是8位的，个人觉得形参写uint8_t更直接，可能是为了跟其他函数保持参数格式一致吧 */USARTx->DR = (Data & (uint16_t)0x01FF);
}

（2）发送8位的数组

void Usart_SendArray( USART_TypeDef * pUSARTx, uint8_t *array, uint16_t num)
{uint8_t i;for(i=0; i<num; i++){/* 发送一个字节数据到USART *//* 调用上一个函数 */Usart_SendByte(pUSARTx,array[i]);    }/* 等待发送完成 */while(USART_GetFlagStatus(pUSARTx,USART_FLAG_TC)==RESET);
}

（3）发送字符串

void Usart_SendString( USART_TypeDef * pUSARTx, char *str)
{unsigned int k=0;do {Usart_SendByte( pUSARTx, *(str + k) );k++;} while(*(str + k)!='\0');/* 等待发送完成 */while(USART_GetFlagStatus(pUSARTx,USART_FLAG_TC)==RESET){}
}

（4）发送一个16位数

void Usart_SendHalfWord( USART_TypeDef * pUSARTx, uint16_t ch)
{uint8_t temp_h, temp_l;/* 取出高八位 */temp_h = (ch&0XFF00)>>8;/* 取出低八位 */temp_l = ch&0XFF;/* 发送高八位 */USART_SendData(pUSARTx,temp_h);   while (USART_GetFlagStatus(pUSARTx, USART_FLAG_TXE) == RESET);/* 发送低八位 */USART_SendData(pUSARTx,temp_l);  while (USART_GetFlagStatus(pUSARTx, USART_FLAG_TXE) == RESET);
}

（5）串口中断服务函数

void DEBUG_USART_IRQHandler(void)
{uint8_t ucTemp;if(USART_GetITStatus(DEBUG_USARTx,USART_IT_RXNE)!=RESET){      ucTemp = USART_ReceiveData(DEBUG_USARTx);USART_SendData(DEBUG_USARTx,ucTemp);    }
}

2.DMA

此部分留到总结完DMA之后再补充

3.printf重定向

我们想直接使用c语言里面的printf、scanf等函数，就需要对其进行重定向。

由于printf 最终是调用 fputc 输出数据，而 fputc 是一个 weak（弱引用）函数，覆写即可重定向 printf。scanf也是如此。

///重定向c库函数printf到串口，重定向后可使用printf函数
int fputc(int ch, FILE *f)
{/* 发送一个字节数据到串口 */USART_SendData(DEBUG_USARTx, (uint8_t) ch);/* 等待发送完毕 */while (USART_GetFlagStatus(DEBUG_USARTx, USART_FLAG_TXE) == RESET);      return (ch);
}///重定向c库函数scanf到串口，重写向后可使用scanf、getchar等函数
int fgetc(FILE *f)
{/* 等待串口输入数据 */while (USART_GetFlagStatus(DEBUG_USARTx, USART_FLAG_RXNE) == RESET);return (int)USART_ReceiveData(DEBUG_USARTx);
}

注意需要勾选微库：

这样，只要加上#include<stdio.h>，就可以用printf打印数据了。

4.标准库函数解释

void USART_DeInit(USART_TypeDef* USARTx);//将USART寄存器重置为默认值 ，即恢复出厂设置
void USART_Init(USART_TypeDef* USARTx, USART_InitTypeDef* USART_InitStruct);//将USART_InitStruct里的参数写入寄存器
void USART_StructInit(USART_InitTypeDef* USART_InitStruct);//给USART_InitStruct填充默认值
void USART_ClockInit(USART_TypeDef* USARTx, USART_ClockInitTypeDef* USART_ClockInitStruct);//同步通讯时需要用到
void USART_ClockStructInit(USART_ClockInitTypeDef* USART_ClockInitStruct);//给USART_ClockInitStruct填充默认值
void USART_Cmd(USART_TypeDef* USARTx, FunctionalState NewState);//使能USART
void USART_ITConfig(USART_TypeDef* USARTx, uint16_t USART_IT, FunctionalState NewState);//中断使能
void USART_DMACmd(USART_TypeDef* USARTx, uint16_t USART_DMAReq, FunctionalState NewState);//DMA使能
void USART_SetAddress(USART_TypeDef* USARTx, uint8_t USART_Address);//USART节点地址设置
void USART_WakeUpConfig(USART_TypeDef* USARTx, uint16_t USART_WakeUp);//USART唤醒方式
void USART_ReceiverWakeUpCmd(USART_TypeDef* USARTx, FunctionalState NewState);//静默模式使能
void USART_LINBreakDetectLengthConfig(USART_TypeDef* USARTx, uint16_t USART_LINBreakDetectLength);
void USART_LINCmd(USART_TypeDef* USARTx, FunctionalState NewState);
void USART_SendData(USART_TypeDef* USARTx, uint16_t Data);//发送数据
uint16_t USART_ReceiveData(USART_TypeDef* USARTx);//接收数据
void USART_SendBreak(USART_TypeDef* USARTx);//发送断开字符
void USART_SetGuardTime(USART_TypeDef* USARTx, uint8_t USART_GuardTime);
void USART_SetPrescaler(USART_TypeDef* USARTx, uint8_t USART_Prescaler);
void USART_SmartCardCmd(USART_TypeDef* USARTx, FunctionalState NewState);
void USART_SmartCardNACKCmd(USART_TypeDef* USARTx, FunctionalState NewState);
void USART_HalfDuplexCmd(USART_TypeDef* USARTx, FunctionalState NewState);
void USART_OverSampling8Cmd(USART_TypeDef* USARTx, FunctionalState NewState);
void USART_OneBitMethodCmd(USART_TypeDef* USARTx, FunctionalState NewState);
void USART_IrDAConfig(USART_TypeDef* USARTx, uint16_t USART_IrDAMode);
void USART_IrDACmd(USART_TypeDef* USARTx, FunctionalState NewState);
FlagStatus USART_GetFlagStatus(USART_TypeDef* USARTx, uint16_t USART_FLAG);//获取状态
void USART_ClearFlag(USART_TypeDef* USARTx, uint16_t USART_FLAG);//清除状态
ITStatus USART_GetITStatus(USART_TypeDef* USARTx, uint16_t USART_IT);//检查指定的USART中断是否发生。
void USART_ClearITPendingBit(USART_TypeDef* USARTx, uint16_t USART_IT);

总结

USART作为STM32除了GPIO外最重要的外设，在几乎每个工程中都有应用。
usart优点
（1）只要两根数据线就可以实现通讯（简单）
（2）由于只用于两个设备间一对一通讯，不需要寻址
usart缺点
（1）速度慢（一般应用都在Kb级别）
（2）仅适合于两个设备之间的通讯
（3）数据帧大小有限

参考文献

1.《STM32库开发实战指南》
2.超简单的一种通信，2分钟搞懂，串口通讯的工作原理！https://www.bilibili.com/video/BV1y34y147s5?spm_id_from=333.337.search-card.all.click&vd_source=53d27d53fc6ff276be6e93437afd3e0e
3.https://www.rfwireless-world.com/Terminology/Advantages-and-Disadvantages-of-UART.html

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