代码收藏家 STM32单片机串口UART功能详解
飞书文档https://x509p6c8to.feishu.cn/wiki/W7ZGwKJCeiGjqmkvTpJcjT2HnNf
串口说明
电平标准是数据1和数据0的表达方式，是传输线缆中人为规定的电压与数据的对应关系，串口常用的电平标准有如下三种：
STM32F103RC系列芯片中，有五个串口
3个USART,2个UART
USART：通用同步和异步收发器
UART：通用异步收发器
当进行异步通信时,这两者是没有区别的。区别在于USART比UART多了同步通信功能。
IO口说明：
TX：发送数据输出引脚。
RX：接收数据输入引脚。
如果发送设备发送太快，接收设备来不及处理，可以通过流控来控制传输的速度。
SCLK：发送器时钟输出引脚。这个引脚仅适用于同步模式，用于时钟同步
nRTS是请求发送，是输出脚，就是告诉别人，我当前能不能接收，用于硬件流控
nCTS是清除发送，是输入脚，用于接收别人nRTS的信号，用于硬件流控
硬件流控说明，例如：
接收端可以接收数据时，会设置nRTS输出低电平，此时发送端读取到低电平，开始发送数据。
接收端处理不过来时，设置nRTS为高电平，此时发送端读取到高电平，停止发送数据。创建工程，设置SWD，设置时钟。
配置USART1为异步通信方式，不需要硬件流控制。
Asynchronous(异步通讯）主要使用
Synchronous(同步通讯，同步通讯相比于异步通讯多了个时钟CLK输出)
Single Wire (Half-Duplex)（单线(半双工)通讯）
Multiprocessor Communication（多处理器通信）
SmartCard、IrDA、LIN 智能卡、IrDA、LIN，这些是其他的一些协议，这些协议与串口非常相似，所以STM32对USART加了些改动，可兼容这些协议。IrDA用于红外通信的，一边红外发光管，另一边红外接收管，靠闪烁红外光通信，与遥控器的红外不同。LIN是局域网的通信协议，具体可以查看芯片手册。
关于硬件流控制，比如A设备有个TX向B设备RX发送数据，A设备发的太快导致B处理不过来，如果没有硬件流控制，B就只能抛弃新数据或者覆盖原数据了，如果有硬件流控制，在硬件电路上会多出一根线，如果B没准备好接收就置于高电平，准备好了就置低电平，A只会在B准备好的时候发送数据。
硬件流控制需要多使用两个IO，所以大部分情况都不使用，直接用软件做数据处理。
然后设置波特率为115200bps 数据长度8bit 没有校验位 1位停止位。
串口中，每个字节都装载在一个数据帧（10或11位）里，每个数据帧都由起始位、数据位和停止位，数据位有8个代表一个字节的8位。参数如下：
波特率：串口通信的速率。波特率本来的意思是每秒传输码元的个数，单位是码元/s，或者直接叫波特（Baud），还有个速率叫比特率，每秒传输的比特数，单位是bit/s，或者是bps。在二进制调制下，一个码元就是一个bit，此时波特率等于比特率，单片机的串口通信基本都是二进制调制（高电平表示1，低电平表示0，一位就是1bit），所以串口的波特率经常会和比特率混用。
起始位：标志一个数据帧的开始，固定为低电平。空闲状态为高电平，起始位产生下降沿，来告诉设备要开始发送数据了
数据位：数据帧的有效载荷，1为高电平，0为低电平，低位先行。
校验位：用于数据验证，根据数据位计算得来。这里串口用的是奇偶校验的数据验证方法，可以判断数据传输是否出错，如果出错可选择丢弃或者重传。可选择三种方式，无校验、奇校验、偶校验。奇校验，包括校验位在内的9个数据位会出现奇数个1，根据8位数据情况奇校验位补0或1，保证1的个数位奇数，接收方接收数据时，会验证数据位和校验位，检出率不高比如有两位同时出错，只校验奇偶特性是检验不出的。偶校验同理，只能保证一定检出率，所以一般不需要校验位，如果要更高检出率可以在软件层使用CRC校验。
停止位：用于数据帧间隔，固定为高电平。也是为下一个起始位做准备（切换到高电平空闲状态）
波特率9600代表1s发送9600个bit,也就是1个bit发送需要100us左右
这时，软件会自动选择PA9与PA10做为串口的发送与接收引脚。
这时，我们可以生成工程
main.c
MX_USART1_UART_Init();
usart.c
void MX_USART1_UART_Init(void)
{
huart1.Instance = USART1;
huart1.Init.BaudRate = 115200;
huart1.Init.WordLength = UART_WORDLENGTH_8B;
huart1.Init.StopBits = UART_STOPBITS_1;
huart1.Init.Parity = UART_PARITY_NONE;
huart1.Init.Mode = UART_MODE_TX_RX;
huart1.Init.HwFlowCtl = UART_HWCONTROL_NONE;
huart1.Init.OverSampling = UART_OVERSAMPLING_16;
if (HAL_UART_Init(&huart1) != HAL_OK)
{
Error_Handler();
}
}那如何实现串口发送或接收数据呢？
stm32f1xx_hal_uart.h
HAL_UART_Transmit(); 串口轮询模式发送,使用超时管理机制。
HAL_UART_Receive(); 串口轮询模式接收,使用超时管理机制。
HAL_UART_Transmit_IT(); 串口中断模式发送，
HAL_UART_Receive_IT(); 串口中断模式接收
HAL_UART_Transmit_DMA(); 串口DMA模式发送
HAL_UART_Receive_DMA(); 串口DMA模式接收
HAL_UART_TxHalfCpltCallback(); 发送过半，通过中断处理函数调用。
HAL_UART_TxCpltCallback(); 发送完成后，通过中断处理函数调用。
HAL_UART_RxHalfCpltCallback(); 接收过半，通过中断处理函数调用。
HAL_UART_RxCpltCallback(); 接收完成后，通过中断处理函数调用。
HAL_UART_ErrorCallback(); 传输过程中出现错误时，通过中断处理函数调用。
第一种是上面用到的轮询的模式。
CPU会不断查询串口是否传输完成，如传输超过则返回超时错误。轮询方式会占用CPU处理时间，效率较低，在实时性要求较高的产品中不宜使用。
第二种就是中断控制方式。
当I/O操作完成时，输入输出设备控制器通过中断请求线向处理器发出中断信号，处理器收到中断信号之后，转到中断处理程序，对数据传送工作进行相应的处理。
第三种就是直接内存存取技术（DMA）方式。
所谓直接传送，先发送到DMA，即在内存与IO设备间传送一个数据块的过程中，不需要CPU的任何中间干涉，只需要CPU在过程开始时向设备发出“传送块数据”的命令，然后通过中断来得知过程是否结束和下次操作是否准备就绪。
整个过程只产生两次中断，第一次是进入DMAx_Streamy_IRQHandler；第二次进入USARTx_IRQHandler。有多种方式，我们先来了解第一种，阻塞轮询模式
HAL_UART_Transmit (UART_HandleTypeDef *huart, const uint8 t *pData, uint16 t Size, uint32 t Timeout)
这个函数是一个阻塞函数，即当调用此函数时，程序会一直等待数据发送完成或超时后才会继续执行后面的代码。
第一个参数是UART句柄，比如要使用USART1，参数就设置为USART1的句柄地址&huart1
第二个参数是需要发送的数据。
第三个参数是需要发送数据的大小。
第四个参数是发送超时时间，单位是毫秒，如果超过设置的时间，则函数返回HAL_TIMEOUT，如果设置为HAL_MAX_DELAY，处理器就会一直等到数据发送完成再执行下一条语句。
HAL_StatusTypeDef HAL_UART_Receive(UART_HandleTypeDef *huart, uint8_t *pData, uint16_t Size, uint32_t Timeout);
第一个参数是要使用的串口句柄地址，比如要使用USART1，参数就设置为USART1的句柄地址&huart1
第二个参数是接受数据的缓冲区首地址
第三个参数是接受的数据长度，这里可以直接用sizeof()函数获取接受缓冲区的长度
第四个参数是超时时间，单位是ms，如果超过设置的时间，则函数返回HAL_TIMEOUT，如果设置为HAL_MAX_DELAY，处理器就会一直等到接收到设置好的数据数量再执行下一条语句。现在，我们先实现发送功能，在main.c中添加发送代码
while (1)
{
/* USER CODE END WHILE */
/* USER CODE BEGIN 3 */
uint8_t txbuf[]="Hello,world!";
HAL_UART_Transmit(&huart1,txbuf,sizeof(txbuf),1000);
HAL_Delay(500);
}
/* USER CODE END 3 */- 编译烧录至板卡，然后接好串口线连接到电脑。
- 打开串口调试助手，选择COM口，例如下方是COM5，根据自己电脑设备管理器的COM选择，插拔USB线，会显示新COM，如果提示COM口有叹号，则需要自行搜索CH340驱动安装。
串口调试助手软件：自行安装即可：参考飞书文档
参考工程：
如果烧录完没打印，可以重启或复位下
/* USER CODE BEGIN 2 */
uint8_t rxbuf[12];
/* USER CODE END 2 */
while (1)
{
/* USER CODE END WHILE */
/* USER CODE BEGIN 3 */
if(HAL_UART_Receive(&huart1,rxbuf,sizeof(rxbuf),1000) == HAL_OK){
HAL_UART_Transmit(&huart1,rxbuf,sizeof(rxbuf),1000);
}
}
/* USER CODE END 3 */编译烧录至板卡，然后接好串口线连接到电脑，打开串口调试助手，设置波特率115200 8 N 1，发送ASCII码“Hello world”，
为什么“Hello world”是11个字符，我们需要接收rxbuf[12]是12个字节呢？
因为串口助手工具，会自动加上换行符，点击右侧的发送后，我们可以看到TX是12个字节。
串口中断方式
我们可以看到，上方的方式都是阻塞式发送，轮询接收的，简单的产品这样设计没有问题，但是做一些复杂的，对实时性有要求的产品时，就满足不了了，所以我们可以用到串口中断的功能，在CUBEMX中使能中断。
阻塞方式就好比你要拿快递，就一遍遍都前台询问快递到没到，在这期间你不能干别的，
中断方式是你告诉前台快递到了给你打电话，在这期间你是可以腾出身子来干别的事情。
生成工程后，可以在stm32f1xx_it.c中看到生成了中断相关函数
/**
* @brief This function handles USART1 global interrupt.
*/
void USART1_IRQHandler(void)
{
HAL_UART_IRQHandler(&huart1);
}
void HAL_UART_IRQHandler(UART_HandleTypeDef *huart){
xxxx
UART_Receive_IT(huart);
xxxx
}
static HAL_StatusTypeDef UART_Receive_IT(UART_HandleTypeDef *huart){
xxxx
HAL_UART_RxCpltCallback(huart);
xxxx
}
最终找到需要重写的虚函数
/**
* @brief Rx Transfer completed callbacks.
* @param huart Pointer to a UART_HandleTypeDef structure that contains
* the configuration information for the specified UART module.
* @retval None
*/
__weak void HAL_UART_RxCpltCallback(UART_HandleTypeDef *huart)
{
/* Prevent unused argument(s) compilation warning */
UNUSED(huart);
/* NOTE: This function should not be modified, when the callback is needed,
the HAL_UART_RxCpltCallback could be implemented in the user file
*/
}然后在
main.c
/* USER CODE BEGIN 0 */
uint8_t rxbuf[10];
uint8_t ackbuf[] = "ack pack";
/* USER CODE END 0 */
/* USER CODE BEGIN 2 */
HAL_UART_Receive_IT(&huart1,rxbuf,sizeof(rxbuf));
/* USER CODE END 2 */
/* USER CODE BEGIN 4 */
void HAL_UART_RxCpltCallback(UART_HandleTypeDef *huart){
if(huart == &huart1) //判断中断是否来自于串口1
{
HAL_UART_Transmit_IT(&huart1,ackbuf,sizeof(ackbuf)); //通过中断的方式发送应答数据出去
HAL_UART_Receive_IT(&huart1,rxbuf,sizeof(rxbuf)); //开始接收下一轮数据
}
}下载完成，点击复位。打开串口助手，连接到相应的端口，设置波特率为115200，从串口助手向单片机发送10个字节的数据，单片机将会把发过去的数据在返回给串口助手。必须发够10个字节以上的数据，才能够触发中断。
参考工程：
如果烧录完没打印，可以重启或复位下
串口中断+DMA方式
这时候，如果我们在开发产品过程中，需要频繁收发数据，且通信波特率较高时，如果采用中断方式，每收发一个字节的数据，CPU都会被打断，造成CPU无法处理其他事务。 因此在批量数据传输，通信波特率较高时，建议采用DMA方式。
|
串口中断每收发一个字节数据，CPU都会被打断 |
CPU只需要设置开始传输和处理传输结束的中断 |
DMA，全称Direct Memory Access，即直接存储器访问。
DMA传输将数据从一个地址空间复制到另一个地址空间，提供在外设和存储器之间或者存储器和存储器之间的高速数据传输。
我们知道CPU无时不刻的在处理着大量的事务，但有些事情却没有那么重要，比方说数据的复制和存储数据，如果我们把这部分的CPU资源拿出来，让CPU去处理其他的复杂计算事务，是不是能够更好的利用CPU的资源呢？
所以串口收发数据量大时可借助DMA，减轻CPU负担。即在内存与IO设备间传送一个数据块的过程中，不需要CPU的任何中间干涉，只需要CPU在过程开始时向设备发出“传送块数据”的命令，然后通过中断来得知过程是否结束和下次操作是否准备就绪。
整个过程只产生两次中断，第一次是进入DMAx_Streamy_IRQHandler；第二次进入USARTx_IRQHandler。
前文说过中断方式就好比你告诉前台，等快递到了给你打电话，让你亲自来取，假设你正在做着一些重要的事情，正好来了电话让你取快递，这样一来就会耽误事。
这怎么办呢？
雇个保姆不就好了吗，DMA就好比这个保姆，你告诉她在哪里取快递，她就会等快递到了之后自己帮你把快递拿回家。
STM32F103RC有12个独立的可配置的通道(请求)：DMA1有7个通道，DMA2有5个通道
每个通道都直接连接专用的硬件DMA请求，每个通道都同样支持软件触发。这些功能通过 软件来配置。
这里，我们切换CUBEMX的USART1中，设置DMA，点击Add，把USART1_TX USART1_RX都添加进来。
注意，RX和TX下方的DMA Request Settings都需要设置为一样。
Channel：通道
例如USART1_RX会对应着上面表格的DMA1的通道5
Direction：方向
因为RX是接收接口，接收来自外设的数据，所以方向是Peripheral To Memory(外设到内存)，TX相反
Priority： 优先级，当存在多个DMA传输时才需要根据具体业务设置，默认选择Low即可
最高优先级 Very Hight
高优先级 Hight
中等优先级 Medium
低优先级；Low
Mode:模式
Normal：正常模式
当一次DMA数据传输完后，停止DMA传送 ，下次传输则需要重新开启DMA传输
Circular： 循环模式
传输完成后又重新开始继续传输，不断循环永不停止
根据不同场景选择灵活不同模式：
例如：
正常模式：一次性传输固定长度的数据，例如发送一次性消息、接收固定长度的数据包等。
循环模式：需要连续不断地发送或接收数据的场景，如连续的传感器数据采集等。
通讯类场景，一般TX使用正常模式,RX使用正常/循环模式，如果TX使用循环模式，需要注意数据同步问题，处理不好会导致新旧数据一起发送，而采集数据，使用循环模式就可以大大降低CPU的压力。
Increment Address：地址递增器
左侧Peripheral表示外设地址寄存器
功能：设置传输数据的时候外设地址是不变还是递增。如果设置为递增，那么下一次传输的时候地址加Data Width个字节
右侧Memory表示内存地址寄存器
功能：设置传输数据时候内存地址是否递增。如果设置为递增，那么下一次传输的时候地址加Data Width个字节，
例如：
串口发送数据是将数据不断存进固定外设地址的发送数据寄存器，所以外设的地址是不递增。
而内存储器存储的是要发送或接收数据，地址指针要递增，保证数据依次被发出或不被覆盖保存。
Data Width 数据宽度
一般的串口都是8位，因此使用默认的DMA配置即可，也就是指针自增为Byte这里有个需要注意的地方，就是函数调用顺序
MX_DMA_Init()函数需要在其他初始化前调用，特别是在这个串口初始化前，不然会发送使用DMA发送会发送失败，在如下图位置配置调用顺序,必须先配置时钟再配置外设，MX_DMA_Init()里面有DMA时钟初始化
设置完成上面步骤，生成工程后，我们会发现DMA初始化在USART1之前，如果不进行这步设置，可能会出现发送失败的情况哦。
/* Initialize all configured peripherals */
MX_GPIO_Init();
MX_DMA_Init();
MX_USART1_UART_Init();然后，我们可以使用DMA方式实现串口发送
main.c
while (1)
{
/* USER CODE END WHILE */
/* USER CODE BEGIN 3 */
uint8_t txbuf[]="Hello,world!";
HAL_UART_Transmit_DMA(&huart1,txbuf,sizeof(txbuf));
HAL_Delay(500);
}
/* USER CODE END 3 */也可以使用DMA方式实现串口收发
如果需要实时处理串口的数据，则需要打开串口全局中断。
UART一旦开启DMA之后，DMA通道全局中断都是强制开启的，DMA传输完整数据后，会触发HAL_UART_RxCpltCallback或HAL_UART_TxCpltCallback中断产生。
main.c
/* USER CODE BEGIN 0 */
uint8_t rxbuf[10];
uint8_t ackbuf[] = "ack pack";
/* USER CODE BEGIN 2 */
//初始化DMA串口接收需要在串口初始化前？
HAL_UART_Receive_DMA(&huart1,rxbuf,sizeof(rxbuf));
/* USER CODE END 2 */
/* USER CODE BEGIN 4 */
void HAL_UART_RxCpltCallback(UART_HandleTypeDef *huart){
if(huart == &huart1) //判断中断是否来自于串口1
{
HAL_UART_Transmit_DMA(&huart1,ackbuf,sizeof(ackbuf)); //通过中断的方式发送应答数据出去
//如果接收使用循环模式，则不用重新开启
HAL_UART_Receive_DMA(&huart1,rxbuf,sizeof(rxbuf)); //开始接收下一轮数据
}
}参考工程：参考飞书文档
使用USART+DMA接收中断不定长数据
可以使用STM32 IDLE空闲中断实现，IDLE的中断产生条件：在串口无数据接收的情况下，不会产生，当清除IDLE标志位后，必须有接收到第一个数据后，才开始触发，一但接收的数据断流，没有接收到数据，即产生IDLE中断
main.c
/* USER CODE BEGIN 0 */
extern DMA_HandleTypeDef hdma_usart1_rx;
#define BUFFER_SIZE 100
uint8_t rxbuf[BUFFER_SIZE];
/* USER CODE BEGIN 2 */
__HAL_UART_ENABLE_IT(&huart1,UART_IT_IDLE);
HAL_UART_Receive_DMA(&huart1,rxbuf,sizeof(rxbuf));
/* USER CODE BEGIN 4 */
void UART_IDLEHandler(){
if(__HAL_UART_GET_FLAG(&huart1, UART_FLAG_IDLE) == SET) //如果串口处于空闲状态
{
__HAL_UART_CLEAR_FLAG(&huart1, UART_FLAG_IDLE);//清空空闲状态标志
HAL_UART_DMAStop(&huart1); //关闭DMA传输
//计算接收到的数据长度 ，已接收长度=需要接收总长度-剩余待接收长度
uint8_t rlen = BUFFER_SIZE - __HAL_DMA_GET_COUNTER(&hdma_usart1_rx);
//发送数据到上位机，当然，这里可以把数据复制到其它位置进行处理
HAL_UART_Transmit_DMA(&huart1,rxbuf,rlen);
//重新打开DMA接收
HAL_UART_Receive_DMA(&huart1,rxbuf,sizeof(rxbuf));
}
}
main.h
/* USER CODE BEGIN EFP */
void UART_IDLEHandler(void);
/* USER CODE END EFP */
stm32f1xx_it.c
/**
* @brief This function handles USART1 global interrupt.
*/
void USART1_IRQHandler(void)
{
/* USER CODE BEGIN USART1_IRQn 0 */
/* USER CODE END USART1_IRQn 0 */
HAL_UART_IRQHandler(&huart1);
/* USER CODE BEGIN USART1_IRQn 1 */
UART_IDLEHandler();
/* USER CODE END USART1_IRQn 1 */
}参考工程：参考飞书文档
端口复用
当然，USART1是支持复用功能的，可以重映像到其它IO上，如果我们在进行硬件设计时，发现PA9、PA10走线不好走，或者需要作为其它用途，我们可以把USART1映射到PB6 PB7，如何知道是否支持重映像，可以查看手册8.3章节。
可以在右侧的芯片图中找到PB6，设置为USART1_TX，PB7，设置为USART1_RX
串口重定向
在单片机中使用printf打印
使用HAL_UART_Transmit发送字符串很不方便，可以重定向printf()函数使printf通过串口打印字符串
使用串口重定向，必须勾选MicroLIB
MicroLib 是一个高度优化的库，适用于用 C 编写的基于 ARM 的嵌入式应用程序。
与 ARM 编译器工具链中包含的标准 C 库相比，MicroLib 提供了许多嵌入式系统所需的显着代码大小优势。
main.c
/* USER CODE BEGIN Includes */
#include <stdio.h>
/* USER CODE END Includes */
/* USER CODE BEGIN 4 */
#ifdef __GNUC__
#define PUTCHAR_PROTOTYPE int __io_putchar(int ch)
#else
#define PUTCHAR_PROTOTYPE int fputc(int ch, FILE *f)
#endif
PUTCHAR_PROTOTYPE
{
HAL_UART_Transmit(&huart1 , (uint8_t *)&ch, 1, 0xFFFF);
return ch;
}作者：小智学长 | 嵌入式
