【STM32F4】五、串口通信2——软件部分(以USART为例)

参考正点原子的视频教程，本文我们将编写一段以USART作为通信串口、接收到数据后立即引发中断、并执行中断处理函数将数据发送给MCU的程序。

源码请参考正点原子-实验4-串口实验。

一、什么是USART

1. USART简介

USART(Universal Synchronous/Asynchronous Receiver/Transmitter)的全称为通用同步/异步串行接收/发送器，它与普通串口UART的不同在于，USART有同步、异步两种工作模式；而UART是经过裁剪后的USART，只有异步工作模式。

2. STM32F4中的USART

2.1 USART的发送/接收引脚

STM32F4中有两个USART(USART1、USART2)，其中，我们以USART1为例，它的发送、接收与PA9、PA10引脚相连，从如下的GPIO引脚复用图中可以看出，PA9可以复用为USART1的发送(TX)功能，而PA10可以复用为USART1的接收(RX)功能。

2.2 USART转为USB接口

单片机通常需要与电脑互相传输数据，但是电脑没有USART接口，这该怎么办呢？设计者通常通过一个芯片把USART接口转换为USB接口，这样就可以与电脑通信了。

能实现USART转USB的芯片有很多，STM32F4中使用的是CH340G。

STM32F4中USART1转USB的原理图如下所示：

其中，TXD/RXD 是相对于 CH340G 来说的，也就是 USB 串口的发送和接受脚。而 USART1_RX/USART1_TX 则是相对于 STM32F407ZGT6 来说的。这样，通过对接，就可以实现 USB 串口和 STM32F407ZGT6 的串口通信了。

注： 在本文的实验中，就是用USB串口把USB信号转换为串口信号，进而通过PA9和PA10的复用功能来与单片机进行通信。

二、常用的串口相关寄存器

常用的串口相关寄存器有三个：

• USART_SR 状态寄存器，用来记录一些状态，如是否接收到数据，是否要发送数据等
• USART_DR 数据寄存器，用来存储数据，包括要接收的数据和要发送的数据等
• USART_BRR 波特率寄存器，用来调整波特率的大小。

其中，USART_SR和USART_DR的各个位的含义在 《STM32F4xx中文参考手册》 的26.6节可以查到， 本文不再赘述。这里只简要介绍一下USART_BRR波特率寄存器的内部结构:

在上篇博文【STM32F4】四、串口通信1——硬件部分中我们在第三部分列出过，下面我们只把波特率发生器的硬件部分展示在下图中：

首先由USART_BRR寄存器产生初始的时钟信号，假设频率为** f ；输入到分频系数为USARTDIV的分频器后，输出信号频率变为 f / USARTDIV**；在经过采样除法器后，最终输出信号的波特率为** f / USARTDIV / [8 x (2 - OVER8)] **，其中，OVER8可人为设置。

其中，初始频率 f 通常是固定的，OVER8 通常设为0；那么公式就简化为波特率 = f / USARTDIV / 16。而为了得到最终的波特率，我们要求的其实就是唯一的可变参数USARTDIV，实际上它也是由USART_BRR寄存器决定的。

但在程序中，我们不需自己计算USART_BRR的配置。我们只要把想要的波特率(如115200)直接写入程序、传给相应函数即可，STM32F4提供的库函数会帮我们计算并对USART_BRR进行配置。

三、程序编写

1. 串口配置的一般步骤

根据正点原子的课程，列出串口配置(带中断响应)的一般过程如下：

① 必要的时钟使能

• 串口时钟使能：RCC_APBxPeriphClockCmd();
• GPIO时钟使能：RCC_AHB1 PeriphClockCmd();
  注:要想使用一个外设，必须要对【外设】、以及【连接外设的GPIO引脚】的时钟进行使能。

② 引脚复用映射：GPIO_PinAFConfig():
③ GPIO端口模式设置：GPIO_Init(); //模式设置为GPIO_Mode_AF
④ 串口参数初始化：USART_Init(); //配置波特率等参数
⑤ 开启中断并且初始化NVIC（如果需要开启中断才需要这个步骤）：

• NVIC_Init();
• USART_ITConfig();

⑥ 使能串口：USART_Cmd();
⑦ 编写中断处理函数：USARTx_IRQHandler();
⑧ 串口数据收发：

• void USART_SendData(); //从DR寄存器中将数据发送出去
• unit16_t USART_ReceiveData(); //从DR寄存器读取接收到的数据

⑨：串口传输状态获取：

• FlagStatus USART_GetFlagStatus();
• void USART_ClearITPendingBit();
  

下面我们也将按照上述步骤，一一编写程序。

2. 编写程序

下面我们把经过详细注释的代码放上来，全都是按照上述九个步骤来写的：

#include "stm32f4xx.h"
#include "usart.h"
#include "delay.h"

void My_USART1_Init(void) //配置和初始化的程序，除中断处理函数外，其他的配置都在这里面
{
    
    
	GPIO_InitTypeDef  GPIO_InitStructure; //用于GPIO配置的结构体
	USART_InitTypeDef* USART_InitStruct; //用于USART配置的结构体
	NVIC_InitTypeDef* NVIC_InitStruct; //用于NVIC配置的结构体
	
//===============================一、串口时钟使能===================================
	//使能USART1,由于USART1挂载在APB2总线下，所以要去RCC相关的库函数中搜索APB2的时钟使能函数
	RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_USART1, ENABLE);

//=================================GPIO时钟使能=====================================
	//因为要通过PA9和PA10的复用功能来使用UART1，所以也要使能GPIOA的时钟，GPIOA挂载在AHB1总线下
	RCC_AHB1PeriphClockCmd(RCC_AHB1Periph_GPIOA, ENABLE);
	
//===============================二、引脚复用映射===================================
	//通过下面这个函数，把PA9配置为复用功能——USART1_TX，PA10配置为复用功能——USART1_RX
	GPIO_PinAFConfig(GPIOA, GPIO_PinSource9, GPIO_AF_USART1);
	GPIO_PinAFConfig(GPIOA, GPIO_PinSource10, GPIO_AF_USART1);
	
//=============================三、端口模式设置==================================
	//下面要配置PA9和PA10配置为复用模式
	GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_9 | GPIO_Pin_10;
	GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_AF; //GPIO_Mode_OUT;  //AF即复用模式
	GPIO_InitStructure.GPIO_OType = GPIO_OType_PP;
	GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_100MHz;
	GPIO_InitStructure.GPIO_PuPd = GPIO_PuPd_UP;
	GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStructure);

//================================四、串口参数初始化=================================	
	//初始化USART1的配置
	USART_InitStruct->USART_BaudRate = 115200; //波特率
	USART_InitStruct->USART_HardwareFlowControl = USART_HardwareFlowControl_None;//不使用硬件流控制
	USART_InitStruct->USART_Mode = USART_Mode_Rx | USART_Mode_Tx; //把发送和接收功能都进行使能
	USART_InitStruct->USART_Parity = USART_Parity_No;//不使用奇偶校验
	USART_InitStruct->USART_StopBits = USART_StopBits_1;//使用1个停止位
	USART_InitStruct->USART_WordLength = USART_WordLength_8b;//因为没有奇偶检验，所以可以使用8位字长
	USART_Init(USART1, USART_InitStruct);
	
	//====================================================================
	//=============如果不使用中断，那么这个程序到这里就可以结束了=============
	//====================================================================
	
//=============================五、开启中断并且初始化NVIC============================
	//配置NVIC
	//首先设置中断优先级分组
	NVIC_PriorityGroupConfig(NVIC_PriorityGroup_2);
	//再初始化NVIC
	NVIC_InitStruct->NVIC_IRQChannel = USART1_IRQn;//不同的通道定义在顶层头文件stm32f4xx.h中   //设置NVIC通道为USART1的通道
	NVIC_InitStruct->NVIC_IRQChannelCmd = ENABLE;
	NVIC_InitStruct->NVIC_IRQChannelPreemptionPriority = 1;//设置抢占优先级为1
	NVIC_InitStruct->NVIC_IRQChannelSubPriority = 1;//设置响应优先级为1
	NVIC_Init(NVIC_InitStruct);

//==================================六、使能串口====================================
	//使能USART1
	USART_Cmd(USART1, ENABLE);
	//使能USART1的某种中断
	USART_ITConfig(USART1, USART_IT_RXNE, ENABLE);//把接收非空中断USART_IT_RXNE使能，即一旦接收到了信息，就引发中断，且执行相应的中断函数

	//下一步就要在下面定义USART1的中断服务函数，函数名是固定的，在官方的系统系统文件中startup_stm32f40_41xxx.s已经给出：USART1_IRQHandler
}

//================================七、编写中断处理函数===============================
void USART1_IRQHandler(void)
{
    
    
	u8 res; //用来记录接收到的数据，因为我们在上面设置的8位字长代表一个数据，所以这里可以用u8来记录？

//==============================九、串口传输状态获取=================================
	if(USART_GetITStatus(USART1, USART_IT_RXNE)) //读取USART_IT_RXNE标志位的状态)
	{
    
    
//================================八、串口数据收发==================================
		res = USART_ReceiveData(USART1); //读取接收到的数据
		USART_SendData(USART1, res); //把接收到的数据发出去
	}
}


//主函数
int main(void)
{
    
    
	My_USART1_Init();
	while(1); //在这里无限循环即可，程序会自动执行 中断 和 中断处理函数
	
	return 0;
}

注： 如果编译时程序出错，可能是因为在官方库文件usart.c里已经定义过一个中断处理函数USART1_IRQHandler()，把它注释掉或者把这个文件删掉即可。

四、更复杂的程序(USART_RX_STA寄存器的应用)

我们在上面第三部分写的程序中，在中断处理函数里我们只是简单地把每个接收到的字符发送出去，没有做其他处理。但是，这往往不能满足工程师们的需求。

工程师们在使用串口时，通常要求在写完一段话后才进行发送(而不是每收到一个字符就发送出去)，而且一定要有一个结束标志(如回车键Enter)，当遇到结束标志时才进行发送，而不是像第三部分中机械地每收到一个字符就发送一个。

这就要求在以上程序的基础上，加入如下功能：

• 自己设计一个结束标志，以让单片机明白待发送的信息到哪里就结束了；
• 有一个buffer，用来存储我们输入的这一段话(这个buffer通常时我们自己创建的一个数组)，知道遇到结束标志，才把这段话发送出去。

为了实现以上能存储一段话、且有结束标志的功能，STM32F4为我们提供了一个很方便的寄存器：USART_RX_STA。

1. USART_RX_STA 寄存器简介

USART_RX_STA寄存器共有16位，即0 ~ 15，每个位的作用如下图所示：
(下图源自正点原子《STM32F4开发指南——库函数版本》 5.3.3小节——USART1_IRQHandler 函数)

其中，0 ~ 13位用来表示接收到的有效数据个数，由于其有14个二进制位，因此最大的可保存数据为 2 ^14 -1，也就是说我们一段话最多可以包含 2 ^14 -1 个字符；

第 14 位用来表示是否接收到了某个标志符(图中的 0X0D 表示回车符，也就是说当接收到回车符时，要把第** 14** 位置 1)，我们通常将回车符或者是回车符和某个字符的组合设为结束标志。

第 15 位用来表示是否接收完成，也就是要根据我们人为设计的结束标志(如回车+ c) 来判断，如果遇到了结束标志，则需要把这一位置1，对接收的信息处理完成后再把这一位置0。

2. 程序编写

2.1 程序思路

从上面的描述中可以看出，要使用USART_RX_STA寄存器，我们需要始终对 此寄存器的几个标志位 及 串口接收到的字符 进行监控和更新。

现在假设我们把标志为设为 ** 0X0D + 0X0A**，即回车键 + 换行键(其实只要在键盘上按下一次回车键就够了)，那么我们要做的监控和更新操作如下：

• 每接收到一个字符，就把字符添加用以保存句子的buffer中，并把 0 ~ 13 位保存的数字加1，用以记录有效数据的个数；
• 监控接收到的字符，如果接收到了0X0D(回车符)，则把第 14位置1；
• 监控接收到的字符，如果接收到了0X0A，则判断第 14 位是否为1，如果是1，表示上一个接收到的字符是回车符，当前接收到的字符是换行符，表示句子结束，这时候我们就把buffer中的信息拿来处理，并把寄存器的所有位都置0，重新开始工作；而如果当前接收到了0X0A，但第 14 位并不是1，那么表示出现了错误，则把buffer清空，且寄存器的所有位置0，重新开始工作。

2.2 编写程序

上述所有工作，都与我们的初始化函数My_USART1_Init没有关系，初始化只是一个初始化功能，没有监督和更新的作用；

而上述所有监督和更新的工作，我们都在中断处理函数和主(main)函数中完成，如下，先展示出中断处理函数：

void USART1_IRQHandler(void)                	//串口1中断服务程序
{
    
    
	u8 Res;
#if SYSTEM_SUPPORT_OS 		//如果SYSTEM_SUPPORT_OS为真，则需要支持OS.
	OSIntEnter();    
#endif
	if(USART_GetITStatus(USART1, USART_IT_RXNE) != RESET)  //根据USART_IT_RXNE标志位来确认是否接收到了新字符
	{
    
    
		Res =USART_ReceiveData(USART1);//(USART1->DR);	//读取接收到的新字符
		
		if((USART_RX_STA&0x8000)==0)//USART_RX_STA&0x8000，即读取USART_RX_STA的第15位(1000 0000 0000 0000，其实是第16位，但是用 0 ~ 15 来编号的话，我们把它叫做第15位)
		{
    
    
			if(USART_RX_STA&0x4000)//USART_RX_STA&0x4000，即读取USART_RX_STA的第14位，判断上一次接收到的字符是否是0x0d
			{
    
    
				if(Res!=0x0a)USART_RX_STA=0;//如果上一次是0x0d，但这次不是0x0a，则表示接收错误,USART_RX_STA全部清0，重新开始
				else USART_RX_STA|=0x8000;	//如果上一次是0x0d，且这一次是0x0a，表示接收到了结束标志位，当前的句子接收完成，把第15位置1
			}
			else //还没收到0X0D
			{
    
    	
				if(Res==0x0d)USART_RX_STA|=0x4000;//如果这次接收到的是0x0d，则把USART_RX_STA的第14位置1
				else
				{
    
    
					USART_RX_BUF[USART_RX_STA&0X3FFF]=Res ;//如果之前没有接收到0x0d，且这一个接收到的字符也不是0x0d，则表示当前这个字符是普通消息，则把它存在buffer(USART_RX_BUF)的第USART_RX_STA&0X3FFF中。其中，USART_RX_STA&0X3FFF是我们当前记录的字符个数，即USART_RX_STA的0 ~ 13位(0011 1111 1111 1111)
					USART_RX_STA++; //当没有接收到0x0d时，USART_RX_STA的第14、15位都是0，只有前13位有数据，用以存储接收到的字符个数，因此这里直接把USART_RX_STA加1，用来记录字符个数，且不会影响到14、15位(因为它们都是0)
					if(USART_RX_STA>(USART_REC_LEN-1))USART_RX_STA=0;//如果接收到的字符个数比可接收的最多数量USART_REC_LEN多了，则表示溢出、接收错误,重新开始接收	  
				}		 
			}
		}   		 
  } 
#if SYSTEM_SUPPORT_OS 	//如果SYSTEM_SUPPORT_OS为真，则需要支持OS.
	OSIntExit();  											 
#endif
} 
#endif	

从以上程序中可以看到，中断处理函数主要做了监督并更新第14、15位，以及保存字符、且监督并更新 0 ~ 13 位。

另外，关于程序中的#if SYSTEM_SUPPORT_OS OS，我在这篇帖子中找到了相关的解释：

我感觉它的作用是保护传输数据不被打断。
如果有操作系统(对于STM32，一般是UCOS)的话，可能会涉及比串口中断优先级更高的中断，会打断串口传输，所以在进入串口中断后干脆就关掉总中断，等传完了再开中断，如果是这样的话中断结尾估计还得有个OSIntExit（）。
这是一种保护临界段的手段。

那么，主(main)函数中需要做什么工作呢？

int main(void)
{
    
     
 
	u8 t;
	u8 len;	
	u16 times=0;  
	NVIC_PriorityGroupConfig(NVIC_PriorityGroup_2);//设置系统中断优先级分组2
	delay_init(168);		//延时初始化 
	uart_init(115200);	//串口初始化波特率为115200
	LED_Init();		  		//初始化与LED连接的硬件接口  
	while(1)
	{
    
    
		if(USART_RX_STA&0x8000) //若检测到USART_RX_STA的第15位、即结束标志位为1，则表示当前信息传输结束
		{
    
    					   
			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"); //把这句话通过串口打印到屏幕上
			for(t=0;t<len;t++)
			{
    
    
				USART_SendData(USART1, USART_RX_BUF[t]);         //向串口1发送数据
				while(USART_GetFlagStatus(USART1,USART_FLAG_TC)!=SET);//等待发送结束
			}
			printf("\r\n\r\n");//插入换行
			USART_RX_STA=0; //把当前信息处理完后，将USART_RX_STA清0，一切重新开始
		}else //如果结束标志位为0.则表示当前信息传输还未结束
		{
    
    
			times++;
			if(times%5000==0)
			{
    
    
				//打印信息以提示工程师继续输入信息
				printf("\r\nALIENTEK 探索者STM32F407开发板 串口实验\r\n");
				printf("正点原子@ALIENTEK\r\n\r\n\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);   
		}
	}
}

整个主函数中，最主要的就是``while(1)`循环，它负责监督USART_RX_STA寄存器的结束标志位，如果结束标志位被置1，则表示当前信息传输结束，主函数就把从串口USART1接收到的信息再通过USART1发送出去；

如果当前USART_RX_STA的结束标志位不是1，则表示传输还未结束，主函数则打印提示信息，以提示工程师继续输入信息。

源码请参考正点原子-实验4-串口实验。