STM32 USART 簡介

STM32芯片具有多個USART外設用于串口通訊，USART（通用同步異步收發器）能夠靈活地與外部設備進行全雙工通訊。USART的全稱“通用同步異步收發器”，也就是說他可以同步通信也可以異步通信。但是我們實現串口打印調試信息到電腦，其實只用到了他的異步通信的功能。

USART除了有串口功能，它滿足外部設備對工業標準NRZ 異步串行數據格式的要求，并且使用了小數波特率發生器提供了多種波特率，使得它的應用更加廣泛。它還支持同步單向通信和半雙工單線通信；還支持 LIN（局域互連網絡）、智能卡協議與 IrDA（紅外線數據協會） SIR ENDEC 規范，以及調制解調器操作 (CTS/RTS)。而且，它還支持多處理器通信。所以說USART還是很強悍的，我們不可能一一講解這些功能，其他功能還有待大家一起去研究。具體這些功能的詳細介紹可查看《STM32F4xx中文參考手冊》26章通用同步異步收發器（USART）。

USART框圖分析

此圖我們可以分為四部分講解分為引腳講解、波特率發生器、USART控制單元、數據交換相關寄存器。

1.USART功能引腳

Tx:發送數據輸出引腳

Rx：接收數據輸入引腳

SW_Rx:數據接收引腳，只用于單線和智能卡模式，屬于內部引腳，沒有具體外部引腳。

nRST：請求以發送(Request To Send)， n 表示低電平有效。如果使能 RTS 流控制，當USART 接收器準備好接收新數據時就會將 nRTS 變成低電平；當接收寄存器已滿時，nRTS 將被設置為高電平。該引腳只適用于硬件流控制。

nCTS：清除以發送(Clear To Send)， n 表示低電平有效。如果使能 CTS 流控制，發送器在發送下一幀數據之前會檢測 nCTS 引腳，如果為低電平，表示可以發送數據，如果為高電平則在發送完當前數據幀之后停止發送。該引腳只適用于硬件流控制。

SCLK：發送器時鐘輸出引腳。這個引腳僅適用于同步模式。

STM32F411CCU6一共有3個USART,USART1和USART6時鐘來源與APB2總線時鐘，其最大頻率為100MHz, USART2來源于APB1總線時鐘，其最大頻率為50MHz。也就意味著他們的最大通訊速率也是不同的。

2.USART波特率發生器

看USART內部框圖2部分，USART的發送器速率控制與接收器速率控制共用一個波特率寄存器（USART_BRR），波特率寄存器里存放的是時鐘分頻值它一共16位，分為整數部分DIV_Mantissa[16:5]和小數部分DIV_Fraction[4:0]兩部分。 USART通信所需波特率是對相應總線時鐘分頻然后一系列計算所得到的。USART波特率計算公式如下：

波特率計算公式

fck:系統總線時鐘。USART1和USART6在APB2總線下，USART2在APB1總線下

0VER8:是由USART_CR1的第15位設置。O:16倍過采樣；1:8倍過采樣

USARTDIV:波特率分頻系數，USART_BRR配置得到。USARTDIV的計算公式

USARTDIV = DIV_Mantissa + (DIV_Fraction/8 * (2-OVER8))

以下例題：

1.知USARTDIV（10進制）算出USART_BRR（16進制）的值

例如：如果OVER8=0, USARTDIV=25.62,求USART_BRR?

DIV_Fraction = 16*0.62 = 9.92 約等于10 = 0xA;

DIV_Mantissa = 25 = 0x19;

則USART_BRR = 0x19A;

2.知USART_BRR（16進制）算出USARTDIV（10進制）的值

例如：如果OVER8=0, USART_BRR=0x1BC,求USARTDIV?

DIV_Mantissa = 0x1B = 27;

DIV_Fraction = 12/16 = 0.75;

則USARTDIV = 27.75;

3.USART波特率計算

例如：USART1通信的波特率位115200，0VER8=0，fck = 100Mhz,求USARTDIV？

解得USARTDIV = 54.253472，可根據上面公式算出DIV_Mantissa = 0x36, DIV_Fraction = 0x4,那么USART_BRR = 0x364

在計算 DIV_Fraction 時經常出現小數情況，經過我們取舍得到整數，這樣會導致最終輸出的波特率較目標值略有偏差。下面我們從 USART_BRR 的值為 0x364 開始計算得出實際輸出的波特率大小。

由 USART_BRR 的值為 0x364，可得 DIV_Fraction=4， DIV_Mantissa=54，所以USARTDIV=54+4/16 =54.25，所以實際波特率為： 115207；這個值跟我們的目標波特率誤差為 0.03%，這么小的誤差在正常通信的允許范圍內。

0VER8=1時，8 倍過采樣時計算情況原理是一樣的。此部分內容不必全部搞懂，波特率具體計算在庫函數中都已完成，不用我們一一計算。

4.USART控制單元

看USART內部框圖3部分，是整個USART外設的控制單元，包括發送控制器、喚醒單元、接收控制器，我們通過配置寄存器相應位來設置這些控制器的工作模式，USART的配置寄存器一共有三個我們在這里不一一講解，我們看這個框圖只需理解USART的大致工作過程即可，具體寄存器的配置我們直接調用庫函數即可配置，無需我們一位一位的手動配置，如想仔細了解各寄存器的位詳細意義，可參考《STM32f4xx中文參考手冊》和《RM0383_STM32F411CCU6_Reference manual》。

發送控制器：工作在發送模式，它將按照程序設置的波特率、幀格式將CPU的數據或者DMA總線上的數據一位一位送到Tx引腳。

接收控制器：工作在接收模式，它將按照程序設置的波特率、幀格式將數據從Rx引腳一位一位的接收外部發來的數據并上傳給CPU或者DMA。

5.USART數據寄存器和移位寄存器

看USART內部框圖4部分，此部分是USART外設外部與內部總線和DMA聯系的接口，4部分一共四個寄存器，發送模式用的“發送數據寄存器（TDR）”和“發送移位寄存器”，接收模式用的“接收數據寄存器（RDR）”和“接收移位寄存器”。其實TDR和RDR都屬于數據寄存器（USART_DR）具體寄存機介紹看《STM32F4xx中文參考手冊》。我們用的時候可以當成兩個用。

USART發送過程：

     內部總線有數據需要發送時，

首先要使能發送即USART_CR1的TE位置1；

接著內部總線的數據的一個字節寫入“發送數據寄存器（TDR）”；（該操作將清零TXE位也就是發送數據寄存器非空，數據其他數據不可以寫入）

緊接著“發送數據寄存器（TDR）”中的數據一次性復制進入“發送移位寄存器”；（將TXE位置既發送數據寄存器為空，后續數據可以接著寫入）

“發送移位寄存器”將剛才“發送數據寄存器（TDR）”復制得數據一位一位的送到Tx引腳

循環執行上面的操作，直到總線將最后一個數據寫入“發送數據寄存器（TDR）”后，等待TC=1。這表明最后一幀的傳送已完成。

     USART接收過程：

      Rx引腳有數據輸入時，

首先要使能接收即USART_CR1的RE位置1；

然后Rx引腳移入數據的最低有效位，到“接收移位寄存器”；

當“接收移位寄存器”8位滿時，將數據一次性寫入“接收數據寄存器（RDR）”;(該操作將RXNE置1既接收數據寄存器非空，總線可讀取)

總線發現RXNE=1時立即讀取數據并將RXNE置零（注意接收期間每接收一個字節RXNE都置1）

循環執行上面操作，直到Rx引腳將最后一字節數據傳送入“接收數據寄存器（RDR）”后，等待總線讀取完成。