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本章节为大家讲解USART（Universal synchronous asynchronous receiver transmitter，通用同步异步收发器）的基础知识和对应的HAL库API。

23.1 初学者重要提示

23.2 串口基础知识

23.3 串口的HAL库用法

23.4 源文件stm32f4xx_hal_uart.c

23.5 总结

USART的全称是Universal synchronous asynchronous receiver transmitter，中文意思是通用同步异步收发器。我们经常使用串口是异步串口，简称UART。

认识一个外设，最好的方式就是看它的框图，方便我们快速的了解串口的基本功能，然后再看手册了解细节。

通过这个框图，我们可以得到如下信息：

分别用于数据的发送和接收。

在智能卡模式下，此接口用于接收数据。

用于IRAD模式的数据发送和接收。

用于硬件流控制。

波特率生成单元。

依次是USART_TDR -> TxFIFO ->Tx Shift Reg偏移寄存器 –> TX或者RX引脚。

依次是TX或者RX引脚-> Rx Shift Reg偏移寄存器->RxFIFO –>USART_RDR。

STM32的串口功能很强大，支持太多的模式。我们只需关心我们最常用的特性即可。我们的串口驱动使用的串口中断+FIFO结构，没有使用DMA。因此我们只讨论和串口中断、串口常规参数有关的知识。

STM32串口的优越特性：（只列了举常用的）

a. 接收缓冲器满，可产生中断。串口中断服务程序据此判断是否接收到数据。

b. 发送缓冲器空，可产生中断。串口中断服务程序据此启动发送下一个数据。

c. 传输结束标志，可产生中断。用于RS485通信，等最后一个字节发送完毕后，需要控制RS485收发器芯片切换为接收模式。

其它中断不常用，包括：CTS改变、LIN断开符检测、检测到总线为空闲（在DMA不定长接收方式会用到）、溢出错误、帧错误、噪音错误、校验错误。

通过下面的表格，可以对串口1-8支持的功能有个全面的认识：

串口支持的帧格式如下（M和PCE都是USART_CR1寄存器的位，其中M位用于控制帧长度，PCE用于使能奇偶校验位）：

这里特别注意奇偶校验位，用户在配置的时候可以选择奇校验和偶校验，校验位是占据的最高位。比如选择M=00，PCE=1，即7bit的数据位。

如果发送的7bit数据是111 0011，这个里面有奇数个1，那么选择偶校验的情况下，校验位 = 1，凑够偶数个1，而选择奇校验的情况下，校验位 = 0，因为已经是奇数个1。校验位不需要用户去计算，是硬件自动生成的。

根据用户设置的奇校验或者偶校验类型，串口硬件会对接收到的数据做校验，如果失败，USART_ISR寄存器的PE位会被置1。如果使能了对应的中断PEIE，那么失败的时候还会产生中断。

了解到帧格式后，再来看一下实际数据发送时，数据位的先后顺序：

这个时序图非常具有代表性，可以帮助大家很好的理解TC发送完成中断和TXE空中断。

异步通信是按字符传输的。每传输一个字符就用起始位来进行收、发双方的同步，不会因收发双方的时钟频率的小的偏差导致错误。这种传输方式利用每一帧的起、止信号来建立发送与接收之间的同步。

异步的特点是：每帧内部各位均采用固定的时间间隔，而帧与帧之间的间隔是随机的。接收机完全靠每一帧的起始位和停止位来识别字符是正在进行传输还是传输结束。

同步通信的发送和接收双方要保持完全的同步，因此要求接收和发送设备必须使用同一时钟。优点是可以实现高速度、大容量的数据传送；缺点是要求发生时钟和接收时钟保持严格同步，同时硬件复杂。

可以这样说，不管是异步通信还是同步通信都需要进行同步，只是异步通信通过传送字符内的起始位来进行同步，而同步通信采用共用外部时钟来进行同步。所以，可以说前者是自同步，后者是外同步。

单工：在一个单工的串行通讯系统中，一般至少有两根线（信号线和地线），数据传送只有一个方向，例如可以使用单工数据传送将数据从一个简单的数据监测系统传送到PC上。

半双工：在半双工串行通信系统中，一般同样要求至少有两根线。这里的数据传送是双向的。然而，同一个时刻只能为一个方向。在上面的数据监测的例子中做了一些变化，可以使用半双工通讯机制发送信息到嵌入式模块（来设置参数，比如采样率）。此外，在其他时候，可以使用这个种连接将嵌入式装置上的数据下载到PC中。

全双工：在一个全双工的串行通信系统中，一般要求至少有三根线（信号线A，信号线B和地线）。信号线A将传输一个方向上的数据，同时信号线B传送另一个方向上的数据。

串口的HAL库用法其实就是几个结构体变量成员的配置和使用，然后配置GPIO、时钟，并根据需要配置NVIC、中断和DMA。下面我们逐一展开为大家做个说明。

USART相关的寄存器是通过HAL库中的结构体USART_TypeDef定义的，在stm32h743xx.h中可以找到这个类型定义：

这个结构体的成员名称和排列次序和CPU的USART寄存器是一 一对应的。

__IO表示volatile, 这是标准C语言中的一个修饰字，表示这个变量是非易失性的，编译器不要将其优化掉。core_m4.h文件定义了这个宏：

下面我们看下USART1、USART2 ... UART8的定义，在stm32f429.h文件

HAL库在USART_TypeDef的基础上封装了一个结构体UART_HandleTypeDef，定义如下：

这里重点介绍前两个参数，其它参数主要是HAL库内部使用的。

这个参数是寄存器的例化，方便操作寄存器，比如使能串口的发送空中断。

SET_BIT(huart->Instance->CR1,  USART_CR1_TXEIE)。

这个参数是用户接触最多的，用于配置串口的基本参数，像波特率、奇偶校验、停止位等。UART_InitTypeDef结构体的定义如下：

配置串口参数，其实就是配置结构体UART_HandleTypeDef的成员。比如下面配置为波特率115200，8个数据位，无奇偶校验，1个停止位。

用于串口回调函数的设置。

如果要用到这种回调函数定义方式，可以在stm32f4xx_hal_conf.h文件里面使能。

串口外设的基本参数配置完毕后还不能使用，还需要配置GPIO、时钟、中断等参数，比如下面配置串口1，使用引脚PA9和PA10。

总结下来就是以下几点：

关于这个底层配置有以下几点要着重说明下：

为什么使用的AF7，这个是在数据手册里定义好的：

那么使用GPIO_AF7_USART1即可。

注，经常会有网友咨询为什么串口中断服务程序里面没有做清除标志。

下面我们介绍__HAL_USART_GET_FLAG函数。这个函数用来检查USART标志位是否被设置。

USART_FLAG有如下几种取值：

请大家重点关注上表中红字部分，USART标志是需要软件主动清零的。清零有两种方式：一种是调用__HAL_USART_CLEAR_FLAG函数，另一种是操作相关寄存器后自动清零。

上面介绍的USART标志大部分能够设置为产生中断，也就是有对应的USART中断标志。我们只介绍几个串口驱动要用到的中断标志：

USART_IT_TXE：TXE:发送数据寄存器空（此时数据可能正在发送）。

USART_IT_TC：发送完成 。

USART_IT_RXNE：接收数据寄存器非空。

中断缺省都是关闭的，通过__HAL_USART_ENABLE_IT函数可以使能相应的中断标志。函数定义如下：

中断处理完毕后，必须软件清除中断标志，否则中断返回后，会重入中断。清中断标志位的函数为：

正如前面介绍的，不是所有的标志都需要用这个函数清零。

注意：操作串口的寄存器不限制必须要用HAL库提供的API，比如要操作寄存器CR1，直接调用USART1->CR1操作即可。

使用方法由HAL库提供：

  第1步：定义UART_HandleTypeDef类型串口结构体变量，比如UART_HandleTypeDef huart。

  第2步：使用函数HAL_UART_MspInit初始化串口底层，不限制一定要用此函数里面初始化，用户也可以自己实现。

        a、使能串口所使用的GPIO时钟。

        b、配置GPIO的复用模式。

        a、配置串口中断优先级。

        b、使能串口中断。

        a、声明串口的发送和接收DMA结构体变量，注意发送和接收是独立的，如果都使用，那就都需要配置。

        b、使能DMA接口时钟。

        c、配置串口的发送和接收DMA结构体变量。

        d、配置DMA发送和接收通道。

        e、关联DMA和串口的句柄。

        f、配置发送DMA和接收DMA的传输完成中断和中断优先级。

  第3步：配置串口的波特率，位长，停止位，奇偶校验位，流控制和发送接收模式。

  第4步：串口初始化调用的函数HAL_UART_Init初始化。

此文件涉及到的函数较多，这里把几个常用的函数做个说明：

其实V6开发板设计的8个串口FIFO驱动文件bsp_uart_fifo.c仅用到了函数HAL_UART_Init，其它函数都没有用到，不过这里也为大家做个说明。

函数原型：

函数描述：

此函数用于初始化串口的基础特性和高级特性。

函数参数：

注意事项：

对于局部变量来说，这个参数就是一个随机值，如果是全局变量还好，一般MDK和IAR都会将全部变量初始化为0，而恰好这个 HAL_UART_STATE_RESET  = 0x00U。

解决办法有三

方法1：用户自己初始串口和涉及到的GPIO等。

方法2：定义UART_HandleTypeDef UartHandle为全局变量。

方法3：下面的方法

使用举例：

函数原型：

函数描述：

此函数以查询的方式发送指定字节。看源码的话，程序里面最重要的就是上面代码中置红的两个标志，发送空标志和发送完成标志。发送空标志表示发送数据寄存器为空，数据还在移位寄存器里面，而发送完成标志表示数据已经从移位寄存器发送出去。

函数参数：

使用举例：

函数原型：

函数描述：

此函数以查询的方式接收指定字节。这个函数相对比较好理解，就是等待上面程序中的RXNE标志，置位了表示接收数据寄存器已经存入数据。

函数参数：

使用举例：

函数原型：

函数描述：

此函数以中断的方式发送指定字节，可以选择使能FIFO中断方式或者发送空中断方式。具体数据的发送是在中断处理函数HAL_UART_IRQHandler里面实现。

函数参数：

使用举例：

使用中断方式要使能串口中断，此贴有完整例子：

http://www.armbbs.cn/forum.php?mod=viewthread&tid=86245 。

函数原型：

函数描述：

此函数以中断的方式接收指定字节，使能了奇偶校验中断失败和错误中断。具体数据的接收是在中断处理函数HAL_UART_IRQHandler里面实现。

函数参数：

使用举例：

使用中断方式要使能串口中断，此贴有完整例子：

http://www.armbbs.cn/forum.php?mod=viewthread&tid=86245 。

函数原型：

函数描述：

此函数以DMA的方式发送指定字节。这里是用的DMA中断方式HAL_DMA_Start_IT进行的发送。所以使用此函数的话，不要忘了写DMA中断服务程序。而且DMA的配置也是需要用户实现的，可以直接在函数HAL_UART_MspInit里面实现，也可以放在其它位置。

函数参数：

使用举例：

使用DMA方式，此贴有完整例子：

http://www.armbbs.cn/forum.php?mod=viewthread&tid=86271 。

函数原型：

函数描述：

此函数以DMA的方式接收指定字节。这里是用的DMA中断方式HAL_DMA_Start_IT进行的接收。所以使用此函数的话，不要忘了写DMA中断服务程序。而且DMA的配置也是需要用户实现的，可以直接在函数HAL_UART_MspInit里面实现，也可以放在其它位置。

函数参数：

使用举例：

使用DMA方式，此贴有完整例子：

http://www.armbbs.cn/forum.php?mod=viewthread&tid=86271 。

本章节就为大家讲解这么多，涉及到的知识点和API函数比较多，需要花点时间消化，后面用到的多了，就可以熟练掌握了。