STM32固件库编程：USART应用技术

STM32内置的USART结构框图如图7-7所示。

图7-7　STM32内置的USART结构框图

1.引脚分配

表7-1是STM32F407ZGTx的串口引脚分布，其中USART1和USART6挂在了APB2上，其余的挂在了APB1上。

当USART设置为UART时，SCLK不使用；当UART不使用硬件流时，nCTS、nRTS不使用。

表7-1　STM32F407ZGTx串口引脚分布

2.数据寄存器（USART-DR）

USART的数据寄存器（USART＿DR）只有低9位有效，并且第9位数据是否有效取决于USART控制寄存器1（USART＿CR1）的M位设置。M位为0表示8位数据字长，M位为1表示9位数据字长。这与51系列单片机的串口模式类似，有第9位可供使用，一般用于多机通信，在点对点的通信中，一般使用8位数据长度。

USART＿DR包含了已发送的数据或接收到的数据。与51系列单片机的SBUF类似，USART＿DR实际包含了两个寄存器，一个是专门用于发送的可写TDR，一个是专门用于接收的可读RDR。当进行发送操作时，向USART＿DR写入的数据会自动存储在TDR内；当进行读取操作时，向USART＿DR读取数据会自动提取RDR数据：这也与51系列单片机的SBUF的使用方法完全一样。

TDR寄存器有数据时，会将数据送入发送移位寄存器进行移位输出，移位寄存器的输出端连接至TX（GPIO）；当接收移位寄存器从RX（GPIO）接收二进制数，收满数据后，会将其送至RDR寄存器。TDR、RDR与总线相连，负责与总线交换数据。

在使能奇偶校验位的情况下进行接收时，从MSB位中读取的值为接收到的奇偶校验位的值。

3.控制寄存器

控制器用于设置USART的工作模式、唤醒、中断、使能等，使用的寄存器有CR1、CR2、CR3、SR、GTPR等。下面将这些寄存器的含义列出来供查阅参考。

（1）USART＿CR1（控制寄存器1）。

寄存器分布如图7-8所示：

图7-8　USART-CR1分布

具体使用的位设置说明如下：

·位15（OVER8，过采样模式）：8倍过采样在智能卡、IrDA和LIN模式下不可用。

0：16倍过采样

1：8倍过采样

·位13（UE，使能）：该位清0后，USART预分频器和TX输出将停止，并会结束当前字节传输以降低功耗。此位由软件置1和清0。

0：禁止USART预分频器和TX输出

1：使能USART

·位12（M，字长）：该位决定了字长。该位由软件置1或清0。

0：1起始位，8数据位，n停止位

1：1起始位，9数据位，n停止位

·位11（WAKE，唤醒）：该位决定了USART的唤醒方法。该位由软件置1或清0。

0：空闲线路

1：地址标记

·位10（PCE，奇偶校验控制使能）：该位选择硬件奇偶校验控制（生成和检测）。使能奇偶校验控制时，计算出的奇偶校验位（如果M＝1，则为第9位；如果M＝0，则为第8位）被插入MSB位置，并对接收到的数据检查奇偶校验位。此位由软件置1和清0。

0：禁止奇偶校验控制

1：使能奇偶校验控制

·位9（PS，奇偶校验选择）：该位用于在使能奇偶校验生成／检测（PCE位置1）时选择奇校验或偶校验。该位由软件置1和清0。将在当前字节的后面选择奇偶校验。

0：偶校验

1：奇校验

·位8（PEIE，PE中断使能）：此位由软件置1和清0。

0：禁止中断

1：当USART＿SR寄存器中PE＝1时，生成USART中断

·位7（TXEIE，TXE中断使能）：此位由软件置1和清0。

0：禁止中断

1：当USART＿SR寄存器中TXE＝1时，生成USART中断

·位6（TCIE，传送完成中断使能）：此位由软件置1和清0。

0：禁止中断

1：当USART＿SR寄存器中TC＝1时，生成USART中断

·位5（RXNEIE，RXNE中断使能）：此位由软件置1和清0。

0：禁止中断

1：当USART＿SR寄存器中ORE＝1或RXNE＝1时，生成USART中断

·位4（IDLEIE，IDLE中断使能）：此位由软件置1和清0。

0：禁止中断

1：当USART＿SR寄存器中IDLE＝1时，生成USART中断。

·位3（TE，发送器使能）：该位使能发送器，由软件置1和清0。

0：禁止发送器

1：使能发送器

·位2（RE，接收器使能）：该位使能接收器，由软件置1和清0。

0：禁止接收器

1：使能接收器并开始搜索起始位

·位1（RWU，接收器唤醒）：该位决定USART是否处于静音模式，由软件置1和清0，并可在识别出唤醒序列时由硬件清0。

0：接收器处于活动模式

1：接收器处于静音模式

·位0（SBK，发送断路）：该位用于发送断路字符，由软件置1和清0。该位应由软件置1，并在断路停止位期间由硬件重置。

0：不发送断路字符

1：发送断路字符

（2）USART＿CR2（控制寄存器2）。

寄存器分布如图7-9所示：

图7-9　USART＿CR2分布

具体使用的位设置说明如下：

·位14（LINEN，LIN模式使能）：此位由软件置1和清0。

0：禁止LIN模式

1：使能LIN模式

·位13～位12（STOP［1：0］）：停止位，这些位用于设定停止位的位数。0.5个停止位和1.5个停止位不适用于UART4和UART5。

00：1个停止位

01：0.5个停止位

10：2个停止位

11：1.5个停止位

·位11（CLKEN，时钟使能）：该位允许用户使能SCLK引脚，不适用于UART4和UART5。

0：禁止SCLK引脚

1：使能SCLK引脚

·位10（CPOL，时钟极性）：该位允许用户在同步模式下选择SCLK引脚上时钟输出的极性。它与CPHA位结合使用可获得所需的时钟／数据关系。不适用于UART4和UART5。

0：空闲时SCLK引脚为低电平

1：空闲时SCLK引脚为高电平

·位9（CPHA，时钟相位）：该位允许用户在同步模式下选择SCLK引脚上时钟输出的相位。它与CPOL位结合使用可获得所需的时钟／数据关系。不适用于UART4和UART5。

0：在时钟第一个变化沿捕获数据

1：在时钟第二个变化沿捕获数据

·位8（LBCL，最后一个位时钟脉冲）：该位允许用户在同步模式下选择与发送的最后一个数据位（MSB）关联的时钟脉冲是否必须在SCLK引脚上输出。不适用于UART4和UART5。

0：最后一个数据位的时钟脉冲不在SCLK引脚上输出

1：最后一个数据位的时钟脉冲在SCLK引脚上输出

·位6（LBDIE，LIN断路检测中断使能）：该位用于断路中断屏蔽（使用断路分隔符进行断路检测）。

0：禁止中断

1：当USART＿SR寄存器中LBD＝1时，生成中断

·位5（LBDL，lin断路检测长度）：该位用于选择11位断路检测或10位断路检测。

0：10位断路检测

1：11位断路检测

·位3～位0（ADD［3：0］，USART节点的地址）：该位用于指定USART节点的地址。该位域将在多处理器通信时于静音模式下使用，以通过地址标记检测进行唤醒。

（3）USART＿CR3（控制寄存器3）。

寄存器分布如图7-10所示：

图7-10　USART＿CR3分布

具体位设置说明如下：

·位11（ONEBIT，一个采样位方法使能）：该位允许用户选择采样方法。选择一个采样位方法后，将禁止噪声检测标志（NF）。

0：三个采样位方法

1：一个采样位方法

·位10 CTSIE（CTS中断使能）：该位不适用于UART4和UART5。

0：禁止中断

1：当USART＿SR寄存器中CTS＝1时，生成中断

·位9（CTSE，CTS使能）：如果该位在发送数据时使nCTS输入无效，数据会在停止之前完成发送。如果该位使nCTS有效时数据已写入数据寄存器，则将延迟发送，直到nCTS有效。该位不适用于UART4和UART5。

0：禁止CTS硬件流控制

1：使能CTS模式，仅当nCTS输入有效（连接到0）时才发送数据

·位8（RTSE，RTS使能）：仅当接收缓冲区中有空间时才会请求数据。缓冲区发送完当前字符后应停止发送数据。该位可以在接收数据时使nRTS输出有效（连接到0）。不适用于UART4和UART5。

0：禁止RTS硬件流控制

1：使能RTS中断

·位7（DMAT，DMA使能发送器）：该位由软件置1／复位。

1：发送使能DMA模式(www.xing528.com)

0：发送禁止DMA模式

·位6（DMAR，DMA使能接收器）：该位由软件置1／复位。

1：针对接收使能DMA模式

0：针对接收禁止DMA模式

·位5（SCEN，智能卡模式使能）：该位用于使能智能卡模式，不适用于UART4和UART5。

0：禁止智能卡模式

1：使能智能卡模式

·位4（NACK，智能卡NACK使能）：该位不适用于UART4和UART5。

0：出现奇偶校验错误时禁止NACK发送

1：出现奇偶校验错误时使能NACK发送

·位3（HDSEL，双工选择）：该位用于选择单线半双工模式。

0：未选择半双工模式

1：选择半双工模式

·位2 IRLP（IrDA低功耗）：该位用于选择正常模式或低功耗IrDA模式。

0：正常模式

1：低功耗模式

·位1 IREN（IrDA模式使能）：该位由软件置1和清0。

0：禁止IrDA

1：使能IrDA

·位0 EIE（错误中断使能）：多缓冲区通信（USART＿CR3中DMAR＝1）如果发生帧错误、上溢错误或出现噪声标志（USART＿SR寄存器中FE＝1或ORE＝1或NF＝1），则需要使用错误中断使能位来使能中断生成。

0：禁止中断

1：当USART＿CR3中的DMAR＝1并且USART＿SR中的FE＝1或ORE＝1或NF＝1时，生成中断

（4）USART＿SR（状态寄存器）。

寄存器分布如图7-11所示：

图7-11　USART＿SR分布

具体位设置说明如下：

·位9（CTS，CTS标志）：如果CTSE位置1，当nCTS输入变换时，此位由硬件置1。通过软件将该位清0（通过向该位写入0）。如果USART＿CR3寄存器中CTSIE＝1，则会生成中断。不适用于UART4和UART5。

0：nCTS状态线上未发生变化

1：nCTS状态线上发生变化

·位8（LBD，LIN断路检测标志）：检测到LIN断路时，该位由硬件置1。通过软件将该位清0（通过向该位写入0）。如果USART＿CR2寄存器中LBDIE＝1，则会生成中断。

0：未检测到LIN断路

1：检测到LIN断路

·位7（TXE，发送数据寄存器为空）：当TDR寄存器的内容已传输到移位寄存器时，该位由硬件置1。如果USART＿CR1寄存器中TXEIE＝1，则会生成中断。通过对USART＿DR寄存器执行写入操作，将该位清0。单缓冲区发送数据期间使用该位。

0：数据未传输到移位寄存器

1：数据传输到移位寄存器

·位6（TC，发送完成）：如果已完成对包含数据的帧的发送并且TXE置1，则该位由硬件置1。如果USART＿CR1寄存器中TCIE＝1，则会生成中断。该位由软件序列清0（读取USART＿SR寄存器，然后写入USART＿DR寄存器）。TC位也可以通过程序写入“0”来清0。建议仅在多缓冲区通信时使用此清0序列。

0：传送未完成

1：传送已完成

·位5（RXNE，读取数据寄存器不为空）：当RDR移位寄存器的内容已传输到USART＿DR寄存器时，该位由硬件置1。如果USART＿CR1寄存器中RXNEIE＝1，则会生成中断。通过对USART＿DR寄存器执行读入操作，将该位清0。RXNE标志也可以通过向该位写入0来清0。建议仅在多缓冲区通信时使用此清0序列。

0：未接收到数据

1：已准备好读取接收到的数据

·位4（IDLE，检测到空闲线路）：检测到空闲线路时，该位由硬件置1。如果USART＿CR1寄存器中IDLEIE＝1，则会生成中断。该位由软件序列^[1]清0（先读入USART＿SR寄存器，然后读入USART＿DR寄存器的过程）。直到RXNE位本身已置1时（即当出现新的空闲线路时）IDLE位才会被再次置1。

0：未检测到空闲线路

1：检测到空闲线路

·位3（ORE，上溢错误）：在RXNE＝1的情况下，当移位寄存器中当前正在接收的字准备好传输到RDR寄存器时，该位由硬件置1。如果USART＿CR1寄存器中RXNEIE＝1，则会生成中断。该位由软件序列清0（先读入USART＿SR寄存器，然后读入USART＿DR寄存器的过程）。当该位置1时，RDR寄存器的内容不会丢失，但移位寄存器会被覆盖。如果EIE位置1，则在进行多缓冲区通信时会对ORE标志生成一个中断。

0：无上溢错误

1：检测到上溢错误

·位2（NF，检测到噪声标志）：当在接收的帧上检测到噪声时，该位由硬件置1。该位由软件序列清0（先读入USART＿SR寄存器，然后读入USART＿DR寄存器的过程）。

0：未检测到噪声

1：检测到噪声

·位1（FE，帧错误）：当检测到去同步化、过渡的噪声或中断字符时，该位由硬件置1。该位由软件序列清0（先读入USART＿SR寄存器，然后读入USART＿DR寄存器的过程）。该位不会生成中断，因为该位出现的时间与本身生成中断的RXNE位出现的时间相同。如果传输中同时导致帧错误和上溢错误，仅有ORE位被置1。

0：未检测到帧错误

1：检测到帧错误或中断字符

·位0（PE，奇偶校验错误）：当接收器模式下发生奇偶校验错误时，该位由硬件置1。该位由软件序列清0（读取状态寄存器，然后对USART＿DR数据寄存器执行读或写访问）。将PE位清0前必须等待RXNE标志被置1。如果USART＿CR1寄存器中PEIE＝1，则会生成中断。

0：无奇偶校验错误

1：奇偶校验错误

（5）USART＿GTPR（预分频器寄存器）。

寄存器分布如图7-12所示：

图7-12　USART＿GTPR分布

具体位设置说明如下：

·位15：8（GT［7：0］，保护时间值）：该位提供保护时间值（以波特时钟数为单位），用于智能卡模式。经过此保护时间后，发送完成标志置1。该位不适用于UART4和UART5。

·位7：0（PSC［7：0］，预分频器值）：该位不适用于UART4和UART5。

✧在IrDA低功耗模式下，PSC［7：0］＝IrDA。低功耗波特率用于预分频器编程，通过分频获取更低的功耗，根据寄存器中给出的值（8个有效位）对源时钟进行分频：

00000000：保留，默认值，源时钟1分频

00000010：源时钟2分频

……

✧在正常IrDA模式下：PSC必须设置为00000001。

✧在智能卡模式下（［7：5］不起作用）：

PSC［4：0］（预分频器值）

该位用于预分频器编程，进行系统时钟分频，以提供智能卡时钟。将寄存器中给出的值（5个有效位）乘以2，得出源时钟频率的分频系数：

00000：保留，不编程此值

00001：源时钟2分频

00010：源时钟4分频

00011：源时钟6分频

……

（6）USART＿BRR（波特率寄存器）。

如果TE或RE位分别被禁止，则波特率计数器会停止计数。该寄存器用于计算波特率。

寄存器分布如图7-13所示：

图7-13　USART＿BRR分布

具体位设置说明如下：

·位15：4（DIV＿Mantissa［11：0］）：这12个位用于定义USART除数（USARTDIV）的尾数，实际上代表着整数。

·位3：0（DIV＿Fraction［3：0］）：这4个位用于定义USART除数（USARTDIV）的小数，计算小数时除以16，得到小数数值。当OVER8＝1时，不考虑DIV＿Fraction［3：0］位，且必须将该位保持清0。

4.小数波特率生成器

USART的发送器和接收器使用相同的波特率。计算公式如下：

其中，fpclk为USART时钟频率，时钟可以是APB1或者APB2；OVER8为USART＿CR1寄存器的OVER8位对应的值；USARTDIV是一个存放在波特率寄存器（USART＿BRR）中的无符号浮点数。其中DIV＿Mantissa［11：0］位定义USARTDIV的整数部分，DIV＿Fraction［3：0］位定义USARTDIV的小数部分，DIV＿Fraction［3：0］位只有在OVER8位为0时有效，否则必须清0。

比如，USART＿BRR值为0x271，如果OVER8＝0，则DIV＿Mantissa＝39、DIV＿Fraction＝1，那么整数为39，USARTDIV的小数为1／16＝0.0625，最终USARTDIV的值为39.0625。

反过来，假设OVER8＝0，USARTDIV值为21.65，小数DIV＿Fraction＝16×0.65＝10.4≈10，则DIV＿Fraction［3：0］为0xA，整数DIV＿Mantissa＝21，DIV＿Mantissa［11：0］为0x15，所以USART＿BRR值为0x15A。

波特率的常用值有2400bps、9600bps、19200bps、115200bps。以USART1、115200bps为例计算USARTDIV。其中USART1的时钟为APB2，时钟频率为84MHz，fPLCK＝84MHz，OVER8＝0，波特率为115200bps，则

计算得到USARTDIV＝45.57。则整数部分DIV＿Mantissa＝45，DIV＿Mantissa［11：0］为0x2D，小数部分通过计算DIV＿Fraction＝0.57×16＝9.12≈9，得到DIV＿Fraction［3：0］为0x9。所以USART＿BRR的值为0x2D9。

这里要注意的是，虽然STM32使用了小数波特率生成器和高频的时钟源，但是波特率还是存在误差，比如按照上述计算值代入波特率计算公式，得到的波特率为115226bps，存在0.026%的误差，这在允许范围之内。如果波特率为9600，计算得USARTDIV＝546.875，USART＿BRR＝0x222E，反推的波特率也为9600bps，误差率为0，计算误差如表7-2所示。

表7-2　使用不同波特率在不同时钟下的误差（16倍过采样时，OVER8＝0）

5.校验控制

使用校验位时，串口传输的长度将是8位的数据帧加上1位的校验位，总共9位，所以此时USART＿CR1寄存器的M位需要设置为1。要启动奇偶校验控制，只需将USART＿CR1寄存器的PCE位置1。奇偶校验由硬件自动完成。启动了奇偶校验控制之后，系统在发送数据帧时会自动添加校验位，在接收数据时会自动验证校验位。接收数据时如果出现奇偶校验位验证失败，系统会将USART＿SR寄存器的PE位置1，并可以产生奇偶校验中断。

使能了奇偶校验控制后，每个字符帧的格式变成：起始位＋数据帧＋校验位＋停止位。

6.中断控制

USART可以有多个中断请求事件，见表7-3。事件标志都可以引发中断。

表7-3　USART中断请求

7.发送与接收流程

（1）发送器。

当USART＿CR1寄存器的发送使能位TE置1时，启动数据发送，发送移位寄存器的数据会在TX引脚输出，如果是同步模式，SCLK也输出时钟信号。

当发送使能位TE置1之后，发送器开始会先发送一个空闲帧（一个数据帧长度的高电平），接下来就可以往USART＿DR寄存器中写入要发送的数据。在写入最后一个数据后，如果USART状态寄存器（USART＿SR）的TC位为1，表示数据传输完成；如果USART＿CR1寄存器的TCIE位置1，将产生中断事件。需要使用的控制位如表7-4所示。

表7-4　USART发送控制位

（2）接收器。

如果将USART＿CR1寄存器的RE位置1，则使能USART接收，同时接收器在RX线开始搜索起始位。在确定起始位后USART接收器根据RX线电平状态把数据存放在接收移位寄存器内。接收完成后把接收移位寄存器数据移到RDR内，并把USART＿SR寄存器的RXNE位置1，同时如果USART＿CR2寄存器的RXNEIE置1就可以产生中断。需要使用的控制位如表7-5所示。

表7-5　USART接收控制位

为得到更准确的信号，需要用一个比这个信号频率高的采样信号去检测，称为过采样。这个采样信号的频率大小决定最后得到源信号的准确度。一般频率越高，得到的准确度越高，但要得到的频率越高，采样信号也越困难，运算和功耗等也会增加。接收器可配置不同过采样技术，以实现从噪声中提取有效的数据。USART＿CR1寄存器的OVER8位用来选择不同的采样方法，如果OVER8位设置为1，则采用8倍过采样，即用8个采样信号采样一位数据；如果OVER8位设置为0，则采用16倍过采样，即用16个采样信号采样一位数据。