一、前言
串口作为STM32的重要外设，对程序调试具有不可替代的作用。通用同步异步收发器(USART)提供了一种灵活的方法与使用工业标准NRZ异步串行数据格式的外部设备之间进行全双工数据交换。USART利用分数波特率发生器提供宽范围的波特率选择。其主要具备以下特性：
- 支持全双工的异步通信
- 支持LIN（局部互联网）
- 支持智能卡协议和IrDA（红外数据组织）SIR ENDEC规范
- 支持调制解调器（CTS/RTS）操作
- 支持多处理器通信
- 支持使用多缓冲器配置的DMA方式，实现高速数据通信。
STM32F103ZET6具备多达5路串口，本文将使用USART1（PA9/PA10）实现串口回环测试DEMO。
二、串口通信原理与时序
2.1 USART和UART的区别
STM32F103ZET6具备5个串口，其中串口1,2,3均为USART（通用同步异步收发传输器），串口4,5为UART（通用异步收发传输器）。他们的区别如下：
- 同步与异步：UART仅支持异步通信，数据在没有时钟信号的情况下进行传输，发送和接收双方必须在波特率等设置上保持一致；USART支持同步和异步两种通信模式。在同步模式下，它使用额外的时钟信号来同步数据的发送和接收。
- 信号引脚：USART1、USART2和USART3接口具有硬件的CTS和RTS信号管理、兼容ISO7816的智能卡模式和类SPI通信模式，除了UART5之外所有其他接口都可以使用DMA操作。
- 数据传输可靠性：UART数据传输仅依赖于预设的波特率，没有时钟信号，因此数据传输的可靠性可能受到干扰；USART在同步模式下，数据传输更加可靠，因为有时钟信号来确保数据的正确接收和发送。USART1接口通信速率可达4.5兆位/秒，其他接口的通信速率可达2.25兆位/秒。
2.2 串口通信的硬件组成
USART1由6根线组成，如下所示：
| USART1线束 | 功能 |
|---|---|
| USART1_TX | 发送数据引脚 |
| USART1_RX | 接受数据引脚 |
| USART1_CK | 用于输出同步信号传输的时钟 |
| USART1_CTS | 用于流量控制的清除发送引脚，若是高电平，在当前数据传输结束时阻断下一次的数据发送。 |
| USART1_RTS | 用于流量控制的发送请求引脚，若是低电平，表明USART准备好接收数据。 |
| GND | 接地 |
其中，同步模式下的CK引脚以及用于流量控制的CTS/RTS引脚不常用，而TX/RX/GND引脚是串口通信中不可或缺的，因此本文只关注这三个引脚。
2.3 串口通信的通讯方式
从传输数据的方向性和同时性上划分，串口通信主要被分为全双工、半双工和单工模式：
- 全双工模式：允许数据在两个通信设备之间同时双向传输。
- 半双工模式：数据可以在两个通信设备之间双向传输，但不能同时进行。
- 单工模式：数据只能单向传输，不能同时发送和接收。
STM32F103ZET6的USART1通讯方式是全双工的。
2.4 串口通信的时序要求和数据格式
串口通信的时序要求如下所示：
每一个字符帧都满足以下数据格式：
| 字符帧的位 | 含义 |
|---|---|
| 起始位 | 每个数据帧的开始部分，通常是一个低电平信号。 |
| 数据位 | 实际传输的数据部分，可以是8位、7位或9位，具体取决于配置。每个位依次从最低有效位（LSB）到最高有效位（MSB）传输（小端传输）。 |
| 校验位 | 在数据位后添加一个校验位，可以帮助检测数据在传输过程中是否发生了错误。校验方式有奇偶校验。 |
| 停止位 | 数据帧的结束部分，通常是一个高电平信号。一般来讲，停止位有1，1.5，2个单位时间三种长度。 |
| 空闲位 | 处于逻辑1状态， 表示当前线路上没有数据传送。 |
2.5 串口通信的奇校验和偶校验
在标准ASCII码中，其最高位(b7)用作奇偶校验位。所谓奇偶校验，是指在代码传送过程中用来检验是否出现错误的一种方法，一般分奇校验和偶校验两种。奇校验规定：正确的代码一个字节中1的个数必须是奇数，若非奇数，则在最高位b7添1；偶校验规定：正确的代码一个字节中1的个数必须是偶数，若非偶数，则在最高位b7添1。
2.6 串口通信的波特率
波特率（Baud Rate）是串行通信中衡量数据传输速度的一个重要参数，定义为每秒钟传输的符号（信号变化）次数，通常以bps（bits per second，位/秒）为单位。
三、时钟树配置
从《STM32中文参考手册》可知，USART1是归属APB2总线下的外设，其时钟来源为APB2的外设时钟PCLK2。APB2时钟来源于AHB时钟，AHB时钟来源于经锁相环PLL倍频后的外部8MHz高速时钟HSE。具体时钟树配置流程如下所示。
时钟树配置代码在正点原子官方例程SYSTEM/sys.c下实现：
void Stm32_Clock_Init(u8 PLL)
{unsigned char temp=0; MYRCC_DeInit(); //复位并配置向量表RCC->CR|=0x00010000; //外部高速时钟使能HSEONwhile(!(RCC->CR>>17));//等待外部时钟就绪RCC->CFGR=0X00000400; //APB1=DIV2;APB2=DIV1;AHB=DIV1;PLL-=2; //抵消2个单位（因为是从2开始的，设置0就是2）RCC->CFGR|=PLL<<18; //设置PLL值 2~16RCC->CFGR|=1<<16; //PLLSRC ON FLASH->ACR|=0x32; //FLASH 2个延时周期RCC->CR|=0x01000000; //PLLONwhile(!(RCC->CR>>25));//等待PLL锁定RCC->CFGR|=0x00000002;//PLL作为系统时钟 while(temp!=0x02) //等待PLL作为系统时钟设置成功{ temp=RCC->CFGR>>2;temp&=0x03;}
} 调用该函数时，函数传参PLL倍频为9， 最终串口1获得的基础时钟频率PCLK2为72MHz。
四、寄存器介绍
实现USART1的功能主要涉及以下寄存器：
| 寄存器 | 功能 |
|---|---|
| APB2ENR | APB2 外设时钟使能寄存器 |
| GPIOx_CRH | 端口配置高寄存器 |
| APB2RSTR | APB2 外设复位寄存器 |
| USART_BRR | 波特比率寄存器 |
| USART_CR1 | 控制寄存器 1 |
| USART_SR | 状态寄存器 |
| USART_DR | 数据寄存器 |
下面将对这些寄存器进行一一介绍。
4.1 APB2ENR外设时钟使能寄存器
《STM32中文参考手册》对APB2ENR寄存器的描述如下：
毋庸置疑，本文需要将USART1时钟使能，即将位14置1。
除此以外，本文用到的串口1的TX和RX分别是PA9和PA10，因此需要使能IO端口A的时钟，即将位2置1。
4.2 GPIOx_CRH端口配置高寄存器
《STM32中文参考手册》对GPIOx_CRH寄存器的描述如下：
本文使用PA9和PA10作为串口1的功能端口，因此需要按照如下要求进行配置：
| GPIO端口 | 复用功能 | 配置 | GPIO配置 |
|---|---|---|---|
| PA9 | USART1_TX | 全双工模式 | 推挽复用输出 |
| PA10 | USART1_RX | 全双工模式 | 浮空输入或上拉输入 |
因此，需要按照如下进行配置：
GPIO端口 寄存器配置 PA9 GPIOA_CRH[7:6] = 0b10 GPIOA_CRH[5:4] = 0b11 PA10 GPIOA_CRH[11:10] = 0b10 GPIOA_CRH[9:8] = 0b00
4.3 APB2RSTR外设复位寄存器
《STM32中文参考手册》对APB2RSTR寄存器的描述如下：
本次DEMO仅需将USART1复位即可，故仅需将 APB2RSTR的第14位 置1 后再 置0 即可复位。
4.4 USART_BRR波特比率寄存器
《STM32中文参考手册》对USART_BRR寄存器的描述如下：
STM32F103ZET6的USART1波特率计算方法如下：
若设置USART1的波特率为115200bps，按照如下方式求得USART_BRR寄存器的值：
- 由第三节时钟树配置可知，USART1的时钟来源PCLK2为72MHz。
- USARTDIV=fPCLK2/(16*bound)=72000000/(16*115200)=39.0625
- 故DIV_Mantissa[11:0]=39=0X27
- 故DIV_Fraction[3:0]=0.0625*16=1=0X1
- USART_BRR寄存器的值为(DIV_Mantissa[11:0]<<4)|(DIV_Fraction[3:0])=0X0271
4.5 USART_SR状态寄存器
《STM32中文参考手册》对USART_SR寄存器的描述如下：
其中，仅重点关注TXE、TC和RXNE标志位。当发送寄存器为空时，TXE为1；当发送完成时，TC为1,；当读寄存器非空，即接收到数据时，RXNE为1。
4.6 USART_CR1控制寄存器 1
《STM32中文参考手册》对USART_CR1寄存器的描述如下：
其中，仅需重点关注以下几位：
| 标志位 | 功能 | 用法 |
|---|---|---|
| 13:UE | 串口使能位 | 置1 |
| 12:M | 字长选择位，当该位为 0 的时候设置串口为 8 个字长外加 n 个停止 位，停止位的个数（n）是根据 USART_CR2 的[13:12]位设置来决定的，默认为 0。 | 置0 |
| 10:PCE | 校验使能位，设置为 0，则禁止校验，否则使能校验。 | 置0 |
| 9:PS | 校验位选择，设置为 0 则为偶校验，否则为奇校验 | / |
| 7:TXEIE | 发送缓冲区空中断使能位，设置该位为 1，当 USART_SR 中的 TXE 位为1 时，将产生串口中断。 | 置1 |
| 6:TCIE | 发送完成中断使能位，设置该位为 1，当 USART_SR 中的 TC 位为 1 时，将产生串口中断。 | 置1 |
| 5:RXNEIE | RXNEIE 为接收缓冲区非空中断使能，设置该位为 1，当USART_SR 中的 ORE 或者 RXNE 位为1时，将产生串口中断。 | 置1 |
| 3:TE | 发送使能位 | 置1 |
| 2:RE | 接收使能位 | 置1 |
4.7 USART_DR数据寄存器
《STM32中文参考手册》对USART_DR寄存器的描述如下：
将数据放入TDR中即可发送，同理，可以从RDR中读出接收到的数据。
五、硬件连接
- 将以上跳线帽接好，即将USART1接到板载CH340 USB转串口芯片上。
- 将USB线接到USB_SLAVE端口。
六、程序设计
6.1 USART1初始化
本函数位于SYSTEM/usart.c/uart_init()，该函数主要进行串口波特率设置（参考4.4）、使能A口和串口1外设时钟（参考4.1），设置端口复用（参考4.2），复位串口1（参考4.3）、使能接收中断（参考4.6）。具体代码如下所示：
void uart_init(u32 pclk2,u32 bound)
{ float temp;u16 mantissa;u16 fraction; temp=(float)(pclk2*1000000)/(bound*16);//得到USARTDIVmantissa=temp; //得到整数部分fraction=(temp-mantissa)*16; //得到小数部分 mantissa<<=4;mantissa+=fraction; RCC->APB2ENR|=1<<2; //使能PORTA口时钟 RCC->APB2ENR|=1<<14; //使能串口时钟 GPIOA->CRH&=0XFFFFF00F;//IO状态设置GPIOA->CRH|=0X000008B0;//IO状态设置 RCC->APB2RSTR|=1<<14; //复位串口1RCC->APB2RSTR&=~(1<<14);//停止复位 //波特率设置USART1->BRR=mantissa; // 波特率设置 USART1->CR1|=0X200C; //1位停止,无校验位.
#if EN_USART1_RX //如果使能了接收//使能接收中断 USART1->CR1|=1<<5; //接收缓冲区非空中断使能 MY_NVIC_Init(3,3,USART1_IRQn,2);//组2，最低优先级
#endif
}6.2 USART1接收中断函数
本函数位于SYSTEM/usart.c/USART1_IRQHandler()，主要通过定义一个标志USART_RX_STA，其bit15为接收完成标志位，bit14为接收到0X0d标志位，bit13-bit0为Buf计数。接收到的数据需要以0X0d 0X0a结尾。具体流程如下图所示：
具体实现如下所示：
#if EN_USART1_RX //如果使能了接收
//串口1中断服务程序
//注意,读取USARTx->SR能避免莫名其妙的错误
u8 USART_RX_BUF[USART_REC_LEN]; //接收缓冲,最大USART_REC_LEN个字节.
//接收状态
//bit15， 接收完成标志
//bit14， 接收到0x0d
//bit13~0， 接收到的有效字节数目
u16 USART_RX_STA=0; //接收状态标记 void USART1_IRQHandler(void)
{u8 res; if(USART1->SR&(1<<5)) //接收到数据{ res=USART1->DR; if((USART_RX_STA&0x8000)==0)//接收未完成{if(USART_RX_STA&0x4000)//接收到了0x0d{if(res!=0x0a)USART_RX_STA=0;//接收错误,重新开始else USART_RX_STA|=0x8000; //接收完成了 }else //还没收到0X0D{ if(res==0x0d)USART_RX_STA|=0x4000;else{USART_RX_BUF[USART_RX_STA&0X3FFF]=res;USART_RX_STA++;if(USART_RX_STA>(USART_REC_LEN-1))USART_RX_STA=0;//接收数据错误,重新开始接收 } }} }
}6.3 printf函数重定向
本函数位于SYSTEM/usart.c/fputc()，主要是将fputc重定向到USART1上。
int fputc(int ch, FILE *f)
{ while((USART1->SR&0X40)==0);//等待上一次串口数据发送完成 USART1->DR = (u8) ch; //写DR,串口1将发送数据return ch;
}6.4 轮询主函数
本函数位于USER/test.c，主要是通过USART_RX_STA获得接收到的信息长度，并将信息按照字节通过USART1->DR发送出去，利用USART_SR->TC判断是否发送完成。进而形成USART回环。具体代码如下所示：
#include "sys.h"
#include "usart.h"
#include "delay.h"
#include "led.h"
#include "beep.h"
#include "key.h" int main(void)
{ u16 t; u16 len; u16 times=0; Stm32_Clock_Init(9); //系统时钟设置uart_init(72,115200); //串口初始化为115200delay_init(72); //延时初始化 LED_Init(); //初始化与LED连接的硬件接口 while(1){if(USART_RX_STA&0x8000){ len=USART_RX_STA&0x3FFF;//得到此次接收到的数据长度printf("\r\n您发送的消息为:\r\n\r\n");for(t=0;t<len;t++){USART1->DR=USART_RX_BUF[t];while((USART1->SR&0X40)==0);//等待发送结束}printf("\r\n\r\n");//插入换行USART_RX_STA=0;}else{times++;if(times%5000==0){printf("\r\n串口USART1寄存器实验\r\n");}if(times%200==0)printf("请输入数据,以回车键结束\r\n"); if(times%30==0)LED0=!LED0;//闪烁LED,提示系统正在运行.delay_ms(10); }}
}完整版代码见正点原子官方：【正点原子】精英STM32F103开发板\【正点原子】精英STM32F103开发板资料 资料盘(A盘)\4，程序源码\1，标准例程-寄存器版本\1，标准例程-寄存器版本\实验4 串口实验
七、上机测试
使用XCOM查看串口发送的数据，并测试串口回环：
至此测试成功！
