Main Takeaway

Following 哈工深上传到B站的电控组培训来入门robomaster电控组，我购买了普中科技玄武套餐开发板作为硬件。

本篇介绍我学习USART的见闻——实验仍有一些问题未解决

USART

简介

• USART(Universal Synchronous/Asynchronous Receiver/Transmitter)，通用同步(CLK同步接收和发送，数据量大选择)/异步串行接收/发送器

  Tips:UART仅有异步通信

• USART是异步串口通信协议的一种，工作原理是将传输数据的每个字符一位接一位地传输，它能将要传输的资料在串行通信与并行通信之间加以转换，能够灵活地与外部设备进行全双工数据交换（并行转串行）

• USART有两个引脚用于传输数据，RX和TX，接线的时候应使用交叉线，此外如果是不同设备之间通信还必须有一个GND线，VCC线为可选项。

  TX(transmitter)：发送数据

  RX(receiver)：接收数据

• 全双工：两条线互不干扰，可同时进行发送和接收 半双工：一次只能进行发送/接收

• 异步：只需频率一样，相位可以不一样（常用） 同步：还需时钟线CLK（数据量很大时）

• 支持最基本的

  • 通用串口同步、异步通讯
  • LIN总线功能（局域互联网）
  • IRDA功能（红外通讯）
  • SmartCard功能

• UART：只有异步通讯

USART的通信协议

一帧一帧地发送

• 起始位：当未有数据发送时，数据线处于逻辑“1”状态；先发出一个逻辑“0”信号，表示开始传输字符。

• 数据位：紧接着起始位之后。数据位的个数可以是4、5、6、7、8等，构成一个字符。通常采用ASCII码。从最低位开始传送，靠时钟定位。

  eg:00010001,先发送1

• 奇偶校验位：数据为加上这一位后，使得“1”的位数应为偶数（偶校验）或奇数（奇校验），以此来校验资料传送的正确性。(弱校验)

• 停止位：它是一个字符数据的结束标志。可以是1位、1.5位、2位的高电平。 由于数据是在传输线上定时的，并且每一个设备有其自己的时钟，很可能在通信中两台设备间出现了小小的不同步。因此停止位不仅仅是表示传输的结束，并且提供计算机校正时钟同步的机会。适用于停止位的位数越多，不同时钟同步的容忍程度越大，但是数据传输率同时也越慢。

• 空闲位或起始位：处于逻辑“1”状态，表示当前线路上没有资料传送，进入空闲状态。处于逻辑“0”状态，表示开始传送下一数据段(起始位)。

• 波特率：即每秒传输的二进制位数， 用 b/s (bps)表示，通过对时钟的控制可以改变波特率。USART具有独立的高精度波特率发生器，不占用定时/计数器。常用的波特率有：9600、115200……

  Notes:奇偶校验是弱校验，115200最常用，发送/接收的FIFO（CPU太快了 ）

USART工作原理

FIFO 操作

• INTRO:FIFO 是“First-In First-Out”的缩写，意为“先进先出”，是一种常见的队列操作。Stellaris 系列ARM 的UART 模块包含有2 个16 字节的FIFO：一个用于发送，另一个用于接收。可以将两个FIFO 分别配置为以不同深度触发中断。可供选择的配置包括：1/8、 1/4、1/2、3/4 和7/8 深度。

  Tips:例如，如果接收FIFO选择1/4，则在UART 接收到4 个数据时产生接收中断

• 目的：收发FIFO 主要是为了解决UART 收发中断过于频繁而导致CPU 效率不高的问题而引入的。

  在进行UART通信时，中断方式比轮询方式(polling)要简便且效率高。但是，如果没有收发 FIFO，则每收发一个数据都要中断处理一次，效率仍然不够高。如果有了收发FIFO，则可以在连续收发若干个数据（可多至14 个）后才产生一次中断然后一并处理，这就大大提高了收发效率。

• 发送FIFO的基本工作过程：

  • 只要有数据填充到发送FIFO 里，就会立即启动发送过程。

  • 由于发送本身是个相对缓慢的过程，因此在发送的同时其它需要发送的数据还可以继续填充到发送 FIFO 里。

    Tips:当发送 FIFO 被填满时就不能再继续填充了，否则会造成数据丢失，此时只能等待。

  • 发送 FIFO 会按照填入数据的先后顺序把数据一个个发送出去，直到发送 FIFO 全空时为止。已发送完毕的数据会被自动清除，在发送FIFO 里同时会多出一个空位。

• 接收FIFO的基本工作过程：

  • 当硬件逻辑接收到数据时，就会往接收FIFO 里填充接收到的数据。

  • 程序应当及时取走这些数据，数据被取走也是在接收FIFO 里被自动删除的过程，因此在接收 FIFO 里同时会多出一个空位。

    Tips:如果在接收 FIFO 里的数据未被及时取走而造成接收FIFO 已满，则以后再接收到数据时因无空位可以填充而造成数据丢失。

• Notes:完全不必要担心FIFO 机制可能带来的数据丢失或得不到及时处理的问题，因为它已经帮你想到了收发过程中存在的任何问题，只要在初始化配置UART 后，就可以放心收发了， FIFO 和中断例程会自动搞定一切。

发送接收

• 发送逻辑：从发送FIFO 读取的数据执行“并→串”转换。控制逻辑输出起始位在先的串行位流，并且根据控制寄存器中已编程的配置，后面紧跟着数据位（注意：最低位 LSB 先输出）、奇偶校验位和停止位。
• 接收逻辑：在检测到一个有效的起始脉冲后，对接收到的位流执行“串→并”转换。此外还会对溢出错误、奇偶校验错误、帧错误和线中止（line-break）错误进行检测，并将检测到的状态附加到被写入接收FIFO 的数据中。

数据收发过程

• 发送时，数据被写入发送FIFO。如果USART 被使能，则会按照预先设置好的参数（波特率、数据位、停止位、校验位等）开始发送数据，一直到发送FIFO 中没有数据。一旦向发送FIFO 写数据（如果FIFO 未空），UART 的忙标志位BUSY 就有效，并且在发送数据期间一直保持有效。BUSY 位仅在发送FIFO 为空，且已从移位寄存器发送最后一个字符，包括停止位时才变无效。即 USART 不再使能，它也可以指示忙状态。
• 在USART 接收器空闲时，如果数据输入变成“低电平”，即接收到了起始位，则接收计数器开始运行，若起始位持续时间达到阈值，则起始位有效，否则会被认为是错误的起始位并将其忽略。
• 如果起始位有效，则根据数据字符被编程的长度，对连续的数据位进行采样。如果奇偶校验模式使能，则还会检测奇偶校验位。
• 最后，如果Rx 为高电平，则有效的停止位被确认，否则发生帧错误。当接收到一个完整的字符时，将数据存放在接收FIFO 中。

波特率

• 波特率除数（baud-rate divisor）是一个22 位数，它由16 位整数和6 位小数组成，是一个用来设置USART的通信速度的参数。波特率发生器使用这两个值组成的数字来决定位周期，决定发送、接收的波特率。

  通过带有小数波特率的除法器，在足够高的系统时钟速率下，UART 可以产生所有标准的波特率，而误差很小。

Tips:根据距离的远近设置波特率的大小

中断控制

出现以下情况时，可使UART产生中断：

Tips:接收数据就绪可读

由于所有中断事件在发送到中断控制器之前会一起进行“或运算”操作，所以任意时刻 USART 只能向中断产生一个中断请求。通过查询中断状态函数，软件可以在同一个中断服务函数里处理多个中断事件（多个并列的if 语句）

使用DMA收发

• DMA（Direct Memory Access，直接内存访问）是一种用于数据传输的技术，它可以绕过CPU直接在外设和内存之间进行数据传输。在DMA操作中，有两个重要的地址：外设基地址和内存基地址。

  • 外设基地址是指用于DMA传输的外设设备的起始地址。
  • 内存基地址是指用于DMA传输的内存区域的起始地址。

  DMA的优点是可以减少CPU的负担，提高系统的效率和性能。

  DMA的缺点是需要额外的硬件支持，如DMA控制器和总线仲裁器，以及额外的软件配置，如设置DMA通道、传输方向、数据量、优先级等参数。

Tips:数据传输想象成快递，本来店家需要和快递员一个一个联系，DMA就是快递柜分好类，店家就不用一个一个联系了

USART重要寄存器

状态寄存器（USART_SR）

通过查询状态寄存器可查询状态

• TC：发送完成 (Transmission complete)

  当包含有数据的一帧发送完成后，并且TXE=1时，由硬件将该位置’1’。如果USART_CR1中的TCIE为’1’，则产生中断。由软件序列清除该位(先读USART_SR，然后写入USART_DR)。 TC位也可以通过写入’0’来清除，只有在多缓存通讯中才推荐这种清除程序。

  0：发送还未完成；

  1：发送完成。

• IDLE：监测到总线空闲 (IDLE line detected)

  当检测到总线空闲时，该位被硬件置位。如果USART_CR1中的IDLEIE为’1’，则产生中断。由软件序列清除该位(先读USART_SR，然后读USART_DR)。

  0：没有检测到空闲总线；

  1：检测到空闲总线。

  Tips： IDLE用于不知道到底有多少个字节，IDLE位不会再次被置高,直到RXNE位被置起(即又检测到一次空闲总线)

控制寄存器 （USART_CRx）

有CR1、CR2、CR3三个寄存器，具体的配置较复杂，具体的可以参考《STM32中文参考手册》。

USART API

接收

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HAL_StatusTypeDef HAL_UART_Receive(UART_HandleTypeDef *huart, uint8_t *pData,uint16_t Size, uint32_t Timeout)
串口接收数据的库函数，阻塞的方式接收数据。

huart :要发送数据的串口指针，pData:接收数据缓存地址，注意此处的指针形式，Size:接收数据的长度（字节数） Timeout：数据接收等待时间，CPU等待这个时间用来接收数据。

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HAL_StatusTypeDef HAL_UART_Receive_IT(UART_HandleTypeDef *huart, uint8_t *pData,uint16_t Size)

使用中断的方式进行接受数据，在这里需要注意的一个点是，使用中断的方式接收到数据之后，需要在中断里面在调用一次HAL_UART_Receive_IT函数，重新开启下一次数据接收，否则会导致，接收完一次数据之后，不会接收下一次数据。

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HAL_UART_Receive_IT(&huart2,&usart2_rdata,1);  
//IT：interrupt type control，中断
void HAL_UART_RxCpltCallback(UART_HandleTypeDef *huart)  
{
	if(huart->Instance == USART2)  //串口屏，接收中断
	{
	HAL_UART_Receive_IT(&huart2,&usart2_rdata,1);
	}
}
//接收到指定长度就会产生一次中断

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HAL_StatusTypeDef HAL_UART_Receive_DMA(UART_HandleTypeDef *huart, uint8_t*pData, uint16_t Size)
//接收到指定长度就会产生一次中断

发送

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HAL_StatusTypeDef HAL_UART_Transmit(UART_HandleTypeDef *huart, uint8_t *pData,uint16_t Size, uint32_t Timeout)
在发送方面，使用HAL_UART_Transmit阻塞数据发送的时候，一定要计算好发送数据的时间。如果发送时间到了，但是数据还没有发送完成的话，会导致没有发送的数据丢失

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HAL_StatusTypeDef HAL_UART_Transmit_IT(UART_HandleTypeDef *huart, uint8_t*pData, uint16_t Size)

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HAL_StatusTypeDef HAL_UART_Transmit_DMA(UART_HandleTypeDef *huart, uint8_t*pData, uint16_t Size)

中断

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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 */
/* USER CODE END USART1_IRQn 1 */
}

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__weak void HAL_UART_TxCpltCallback(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_TxCpltCallback could be implemented in the user file*/
}

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__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*/
}

Tips:callback函数需要重定义

实验

CubeMX：

• 串口在Connectivity

• Asynchronous adj.[电] 异步的；不同时的；不同期的

• Parity 奇偶校验位

• NVIC Interrupt打开串口中断

• DMA setting当不知道要接收多少时用DMA空闲中断，ADD->Rx

Keil

• 勾选use micro lib

Tips:KeilMDK配置项中Use MicroLIB是一个选项，用于选择是否使用microlib库。microlib库是一个简化的C标准库，它专门为需要在极少量内存中运行的深层嵌入式应用程序设计的。microlib库的优点是可以减少代码的大小，但缺点是功能有限，不符合ISO C标准和IEEE 754浮点算法标准。如果你想使用printf等函数，你可以选择Use MicroLIB选项，或者关闭半主机模式并重写相关的底层函数。

• DMA空闲中断

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// 先打开串口空闲中断
__HAL_UART_ENABLE_IT(&huart1, UART_IT_IDLE);
HAL_UART_Receive_DMA(&huart1, receive_data, 100);

//然后重写callback函数
void UART_IDLE_Callback(UART_HandleTypeDef *huart)

//最后在it.c中调用自己的中断，屏蔽默认的中断
void USART1_IRQHandler(void)
{
  /* USER CODE BEGIN USART1_IRQn 0 */
	UART_IDLE_Callback(&huart1);    //调用自己的中断
	return;    //屏蔽默认的中断
  /* USER CODE END USART1_IRQn 0 */
  HAL_UART_IRQHandler(&huart1);
  /* USER CODE BEGIN USART1_IRQn 1 */

  /* USER CODE END USART1_IRQn 1 */
}

串口调试助手

我用了xcom和sscom串口调试助手

• Xcom.exe中可以监视数据传输
• DTR(Data Terminal Ready（数据终端准备好）)：由数据终端设备（如计算机）发出，表示它已经准备好接收数据了。当DTR为高电平时，表示数据终端设备已经打开了串口，并且可以接收数据。当DTR为低电平时，表示数据终端设备已经关闭了串口，或者不想接收数据了。
• RTS(Request To Send（请求发送）)：由数据终端设备发出，表示它想要发送数据了，并且请求对方的许可。当RTS为高电平时，表示数据终端设备有数据要发送，并且等待对方的应答。当RTS为低电平时，表示数据终端设备没有数据要发送，或者暂停发送数据。

一些经验

总结下来就是遇到串口不能使用的情况应该检查以下问题：

（1）看看串口有没有和其他串口冲突或者被占用

（2）代码有没有问题，实在不行先烧官方例程看看

（3）检查波特率，停止位，数据位，奇偶校验位这些什么的，一定要选对

Tips:对照Cube MX中的设置检查

（4）还有就是要勾选use micro lib。

BONUS

• uint8_t_16_t_t_t

  • 这些类型的来源：这些数据类型中都带有_t, _t 表示这些数据类型是通过typedef定义的，而不是新的数据类型。也就是说，它们其实是我们已知的类型的别名。

  • 使用这些类型的原因：方便代码的维护。比如，在C中没有bool型，于是在一个软件中，一个程序员使用int，一个程序员使用short，会比较混乱。最好用一个typedef来定义一个统一的bool

    1 2	typedef char bool; typedef unsigned char uint8_t;

  • uint8_t实际上是一个char。所以输出uint8_t类型的变量实际上输出其对应的字符，而不是数值。

• 句柄与普通指针的区别在于，指针包含的是引用对象的内存地址，而句柄则是由系统所管理的引用标识，该标识可以被系统重新定位到一个内存地址上。这种间接访问对象的模式增强了系统对引用对象的控制。句柄本质就是对底层硬件的指针的使用。句柄是针对内核的。大家可以理解为句柄是一个指向指针的指针。

Problem

在前面两个使用EXTI中断的projects中没能收到USART传来的消息？？？

在最后的DMA中断中收到了

References

• 哈工深电控内训

• STM32用XCOM调试助手打印不出数据_xcom串口调试助手_山野的风.的博客-CSDN博客

• 基于STM32之UART串口通信协议（一）详解 - LLLIN000 - 博客园 (cnblogs.com)

• STM32串口通信详解以及通信异常或者卡死常见问题分析_stm32 串口传数据互相 干扰_“星云-视界”的博客-CSDN博客