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[TOC]
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# 1. 串口通信概述
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## 1.1. 计算机通信
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问题：
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1. 我们知道的通信方式有哪些？
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2. 理解通信技术的发展。
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3. 通信的要素：以烽火为例子。
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通信要素：
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1. 硬件：通信介质
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2. 软件：
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1. 语法：格式
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2. 语义：格式中信息的具体含义
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### 1.1.1. 并行通信
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优势：
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1. 一次传输1个字节；
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2. 速度快；
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3. 信息表达相对简单；
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劣势：
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1. 只适合短距离传输；
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2. 成本高。
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问题：那些地方采用并行通信？
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### 1.1.2. 串行通信
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优势：
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1. 适合长距离传输；
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2. 成本低；
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劣势：
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1. 速度相对较慢；
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2. 信息表达（通信控制）相对复杂；
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问题：
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1. 那些设备是串行通信？
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2. 是否可以结合串行和并行的优势？如何结合？
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## 1.2. 串行通信的基本概念
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### 1.2.1. 同步和异步
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1. 通信双方需要专门又时钟线来同步双方的时钟，并保持严格一致；
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2. 通信速度相对较高；
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3. 如 SPI、I2C通信；
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1. 不需要时钟同步；
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2. 通信双方对时间的理解差异可以有少量的偏差；
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3. 每通信一帧（固定数量的bit位），会进行一次同步（如上图的START和STOP电平）；
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4. 例如USB、UART（串口）；
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### 1.2.2. 异步串行通信的特点
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1. 以固定的长度（位）传输一组数据（帧）；对于串口来说，一帧一般是一个字符（注意不是字节，以前一个字符是7个位；现在几乎都是8个位，和字节是对应的）；
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2. 通过帧之间的间隔来进行时间的同步；
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3. 如果通信双方对时间的理解差异较小，那就可以在一帧的时间片内检查到有效数量的0和1的序列（帧），这样不需要通信双方对时间的理解完全一致，因为在一帧内的时间差异几乎可以忽略。
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**字符格式：**
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一般由起始位、数据位、校验位、停止位组成。对于连续的通信来说，停止也就是起始，因此往往设置停止就可以了。
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1. 空闲情况下，通信线路的电平为高；
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2. 当需要传输数据的时候，发送方把电位拉低，持续一段时间（开始位）；
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3. 然后连续发送一个字符和校验位；
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4. 最后拉高电平至少持续一段时间（停止位），表示该帧数据发送完成；
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从上述的通信过程得知，空闲（不传输数据）为高电平；一旦低电平后，表示通信开始；字符传输完成后，拉高电平；因此起始其实是可以不要的。
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奇偶校验：
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奇校验：如果数据中1的个数为奇数，则奇校验位0，否则为1。
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偶校验：如果数据中1的个数为偶数，则偶校验位0，否则为1。
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**波特率：**
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波特率是每秒传输位的单位（bps），波特率越高，表示通信速率越快。注意，在任何通信场景中，通信速率的都应该用bps表示；例如100M的以太网，表示 100Mbps，也就是每秒大约传输10M字节（本来应该是100M/8，但是可能有停止位和校验，因此大约估算是100M/10）。
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### 1.2.3. 异步串口通信的数据接收过程
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我们假设采样时钟是波特率的16倍,具体的数据接收过程如下：
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1. 接收过程由起始位的下降沿启动。
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2. 接收端等待8个时钟周期，以便建立一个接近起始位周期中点的采样点。
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3. 接收端再次等待 16个时钟周期，使其进入第一个数据位周期的中点。
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4. 第一个数据位被采样并存储在接收寄存器中。
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5. 串口模块在采样第二个数据位之前，等待另外16个时钟周期。
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6. 重复此过程，直到所有的数据位都被采样和存储。
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7. 由停止位的上升沿使数据线返回到空闲状态。
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### 1.2.4. 串行通信的传输方向
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## 1.3. STM32串口通信
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**数据寄存器：**
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1. TDR 发送寄存器，结合发送位移寄存器，把数据以电平的方式用时间进行排序发送到TX引脚；
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2. RDR 接收寄存器，通过接收位移寄存器组成的一个字符装载到RDR；
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**通信状态标志位：**
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轮询方式可以通过读取上述的状态来进行控制：
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1. RXNE表示有新的数据（字符）；
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2. TXE：表示可以向TDR写入新的数据；
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3. TC：发送完成；
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中断方式也会有对应的三种方式。
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## 1.4. 硬件结构
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串口通信的示意图是这样的：
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但是目前的很多计算机没有串口，因此在开发板上有一个USB转串口的芯片：
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因此实际的情况是这样：
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这个芯片在开发板的位置是：
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# 2. HAL库外设初始化过程
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## 2.1. 串口外设句柄
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stm32f1xx_hal_uart.h 的160行；
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```c
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typedef struct __UART_HandleTypeDef
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{
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USART_TypeDef *Instance; /*!< UART registers base address */
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UART_InitTypeDef Init; /*!< UART communication parameters */
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const uint8_t *pTxBuffPtr; /*!< Pointer to UART Tx transfer Buffer */
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uint16_t TxXferSize; /*!< UART Tx Transfer size */
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__IO uint16_t TxXferCount; /*!< UART Tx Transfer Counter */
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uint8_t *pRxBuffPtr; /*!< Pointer to UART Rx transfer Buffer */
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uint16_t RxXferSize; /*!< UART Rx Transfer size */
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__IO uint16_t RxXferCount; /*!< UART Rx Transfer Counter */
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__IO HAL_UART_RxTypeTypeDef ReceptionType; /*!< Type of ongoing reception */
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__IO HAL_UART_RxEventTypeTypeDef RxEventType; /*!< Type of Rx Event */
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DMA_HandleTypeDef *hdmatx; /*!< UART Tx DMA Handle parameters */
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DMA_HandleTypeDef *hdmarx; /*!< UART Rx DMA Handle parameters */
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HAL_LockTypeDef Lock; /*!< Locking object */
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__IO HAL_UART_StateTypeDef gState; /*!< UART state information related to global Handle management
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and also related to Tx operations.
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This parameter can be a value of @ref HAL_UART_StateTypeDef */
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__IO HAL_UART_StateTypeDef RxState; /*!< UART state information related to Rx operations.
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|
This parameter can be a value of @ref HAL_UART_StateTypeDef */
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__IO uint32_t ErrorCode; /*!< UART Error code */
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#if (USE_HAL_UART_REGISTER_CALLBACKS == 1)
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void (* TxHalfCpltCallback)(struct __UART_HandleTypeDef *huart); /*!< UART Tx Half Complete Callback */
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void (* TxCpltCallback)(struct __UART_HandleTypeDef *huart); /*!< UART Tx Complete Callback */
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void (* RxHalfCpltCallback)(struct __UART_HandleTypeDef *huart); /*!< UART Rx Half Complete Callback */
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void (* RxCpltCallback)(struct __UART_HandleTypeDef *huart); /*!< UART Rx Complete Callback */
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void (* ErrorCallback)(struct __UART_HandleTypeDef *huart); /*!< UART Error Callback */
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void (* AbortCpltCallback)(struct __UART_HandleTypeDef *huart); /*!< UART Abort Complete Callback */
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void (* AbortTransmitCpltCallback)(struct __UART_HandleTypeDef *huart); /*!< UART Abort Transmit Complete Callback */
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void (* AbortReceiveCpltCallback)(struct __UART_HandleTypeDef *huart); /*!< UART Abort Receive Complete Callback */
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void (* WakeupCallback)(struct __UART_HandleTypeDef *huart); /*!< UART Wakeup Callback */
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void (* RxEventCallback)(struct __UART_HandleTypeDef *huart, uint16_t Pos); /*!< UART Reception Event Callback */
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void (* MspInitCallback)(struct __UART_HandleTypeDef *huart); /*!< UART Msp Init callback */
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void (* MspDeInitCallback)(struct __UART_HandleTypeDef *huart); /*!< UART Msp DeInit callback */
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#endif /* USE_HAL_UART_REGISTER_CALLBACKS */
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} UART_HandleTypeDef;
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和定时器的代码组织方式是一样的，包含和串口的属性以及操作的函数指针。基本解释可以参考教科书269页。
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## 2.2. 串口初始化数据类型（p270）
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stm32f1xx_hal_uart.h 的46行；
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```c
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typedef struct
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{
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uint32_t BaudRate; /*!< This member configures the UART communication baud rate.
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The baud rate is computed using the following formula:
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- IntegerDivider = ((PCLKx) / (16 * (huart->Init.BaudRate)))
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- FractionalDivider = ((IntegerDivider - ((uint32_t) IntegerDivider)) * 16) + 0.5 */
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uint32_t WordLength; /*!< Specifies the number of data bits transmitted or received in a frame.
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This parameter can be a value of @ref UART_Word_Length */
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uint32_t StopBits; /*!< Specifies the number of stop bits transmitted.
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This parameter can be a value of @ref UART_Stop_Bits */
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uint32_t Parity; /*!< Specifies the parity mode.
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This parameter can be a value of @ref UART_Parity
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@note When parity is enabled, the computed parity is inserted
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at the MSB position of the transmitted data (9th bit when
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the word length is set to 9 data bits; 8th bit when the
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word length is set to 8 data bits). */
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uint32_t Mode; /*!< Specifies whether the Receive or Transmit mode is enabled or disabled.
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This parameter can be a value of @ref UART_Mode */
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uint32_t HwFlowCtl; /*!< Specifies whether the hardware flow control mode is enabled or disabled.
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This parameter can be a value of @ref UART_Hardware_Flow_Control */
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uint32_t OverSampling; /*!< Specifies whether the Over sampling 8 is enabled or disabled, to achieve higher speed (up to fPCLK/8).
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This parameter can be a value of @ref UART_Over_Sampling. This feature is only available
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on STM32F100xx family, so OverSampling parameter should always be set to 16. */
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} UART_InitTypeDef;
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```
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StopBits
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Parity
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|
Mode
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HwFlowCtl
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注意：一般串口通信都使用三根线，不会用到硬件流控。
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OverSampling
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## 2.3. 串口初始化过程
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1. MX_USART2_UART_Init：该函数位于main.c，有框架自动生成；用于初始化串口句柄；
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2. HAL_UART_Init：位于 stm32f1xx_hal_uart.c；这是硬件抽象的初始化代码，并不关心具体的硬件，其中调用了HAL_UART_MspInit，用于实现真正的串口初始化功能 ；该文件中有个 HAL_UART_MspInit 函数的 weak定义；
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3. HAL_UART_MspInit：位于 stm32f1xx_hal_msp.c；这里才是真正关于串口的初始化；
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因此：stm32f1xx_hal_uart.c 中定义的是操作硬件的接口（类似Java的接口，所有的函数，常量等，编程一般也只需要和该文件打交道）；stm32f1xx_hal_msp.c 是真正的实现，实现具体的硬件层面的操作。这样的设计就可以不改变接口的情况下，适配多个不同硬件。
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# 3. 轮询方式的串口通信
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## 3.1. 轮询方式的接口函数
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### 3.1.1. 串口初始化函数(HAL_UART_Init)
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该函数用于串口的初始化。将串口外设句柄中的参数写人对应的寄存器，并调用MCU硬件初始化函数HAL_UART_MspInit()完成时钟、引脚和中断等系统级初始化操作。具体描述如表 9-9所示。
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### 3.1.2. 串口轮询方式发送丽数(HAL UART_Transmit)
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该函数用于在轮询方式下发送指定数量的数据。具体描述如表9-10所示
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### 3.1.3. 串口轮询方式接收函数(HAL UART_Receive)
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该函数用于在轮询方式下接收指定数量的数据。具体描述如表9-11所示。
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## 3.2. 固定长度的数据收发
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1. 开发板串口使用PA2和PA3：
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点击任意一个端口：
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知道使用的是串口2
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2. 设置串口2的参数：
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问题：
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1. Hardware Flow Control 是什么意思？
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2. Over Sampling （过采样）是什么意思？
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3. 代码编写：
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```c
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/* USER CODE BEGIN 2 */
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uint8_t uartBuf[5];
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/* USER CODE END 2 */
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/* Infinite loop */
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/* USER CODE BEGIN WHILE */
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while (1) {
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/* USER CODE END WHILE */
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/* USER CODE BEGIN 3 */
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if (HAL_UART_Receive(&huart2, uartBuf, 5, 100) == HAL_OK) {
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HAL_UART_Transmit(&huart2, uartBuf, 5, 100);
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}
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}
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/* USER CODE END 3 */
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}
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```
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下载程序后，连接TYPE-C到计算机的USB（可能需要安装驱动），然后打开串口通信软件，设置波特率等参数与开发板一致；发送5个字符，会收到开发板的回应（必须是一次性发送5个字符，不能分开发送）。
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# 4. 中断方式的串口通信
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中断的效率更高。
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## 4.1. 中断方式的接口函数
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### 4.1.1. 串口中断方式发送函数(HAL_UART_Transmit IT)
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该函数用于在中断方式下发送指定数量的数据，具体描述如表9-12所示：
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### 4.1.2. 串口中断方式接收函数(HALUART_Receive_IT)
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该函数用于在中断方式下接收指定数量的数据，具体描述如表9-13 所示：
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### 4.1.3. 串口中断通用处理函数(HAL_UART_IRQHandler)
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该函数是所有串口中断发生后的通用处理程序。任何一个串口的相关中断(如发送中断或接收中断)发生后，都会通过中断向量表中的串口中断服务程序USARTx_IRQHandler()调用该函数。在函数内部会完成具体的数据收发,最后调用不同的回调函数来完成后续的中断处理任务。具体描述如表 9-14所示：
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### 4.1.4. 串口发送中断回调函数(HAL_UART_TxCpltCallback)
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该函数用于处理在中断方式下发送完指定数量数据后的后续任务。任何一个串口发送完指定数量数据后，都会调用发送中断回调函数。因此，在函数内部需要判断是哪一个串口产生的本次发送中断回调，然后再执行具体的中断处理任务。具体描述如表9-15所示：
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### 4.1.5. 串口接收中断回调函数(HAL_UART_RxCpltCallback)
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该函数用于处理在中断方式下接收完指定数量数据后的后续任务。任何一个串口接收完指定数量数据后，都会调用接收中断回调函数。因此,在函数内部需要判断是哪一个串口产生的本次接收中断回调，然后再执行具体的中断处理任务。具体描述如表9-16所示：
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### 4.1.6. 串口中断使能函数(__HAL_UART_ENABLE_IT)
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该函数用于使能对应的串口中断类型,采用带参数的宏实现(宏函数),具体描述如表 9-17 所示：
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### 4.1.7. 串口中断标志查询函数(__HAL_UART_GET_FLAG）
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该函数用于查询对应的串口中断标志是否置位,采用带参数的宏实现(宏函数),具体描述如表 9-18 所示：
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### 4.1.8. 空闲中断标志清除函数( __HAL_UART_CLEAR_IDLEFLAG)
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该函数用于清除串口的空闲中断标志,采用带参数的宏实现(宏函数),具体描述如表 9-19 所示：
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## 4.2. 任务：使用中断方式实现简单的通信协议（p289）
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1. 与查询方式一样的设置串口，需要打开串口的全局中断：
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2. 设置PA6为输出，Label为LED1；PA7为输出，Label为LED2
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3. 完善代码：
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```c
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/* USER CODE BEGIN 0 */
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#define LENGTH 4 // 接收帧的长度
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uint8_t RxBuffer[LENGTH]; // 接收缓冲
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volatile uint8_t RxFlag = 0; // 是否收到数据的标志
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const char *MSG1 = "Please enter instruction.";
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const char *MSG2 = "Head->0xAA Device->0x01 Operation->0x00/0x01 Tail->0x55.";
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const char *ERRMSG = "Communication Error! Please try again!";
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// 中断回调函数
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void HAL_UART_RxCpltCallback(UART_HandleTypeDef *huart) {
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if (huart->Instance == USART2) {
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RxFlag = 1; // 设置帧标志，主函数处理这个标志
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HAL_UART_Receive_IT(&huart2, RxBuffer, LENGTH); // 再次启动中断接收
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}
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}
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/* USER CODE END 0 */
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```
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```c
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int main(void) {
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/* USER CODE BEGIN 1 */
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/* USER CODE END 1 */
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/* MCU Configuration--------------------------------------------------------*/
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/* Reset of all peripherals, Initializes the Flash interface and the Systick. */
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HAL_Init();
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/* USER CODE BEGIN Init */
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/* USER CODE END Init */
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/* Configure the system clock */
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SystemClock_Config();
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/* USER CODE BEGIN SysInit */
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/* USER CODE END SysInit */
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/* Initialize all configured peripherals */
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MX_GPIO_Init();
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MX_USART2_UART_Init();
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/* USER CODE BEGIN 2 */
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HAL_UART_Transmit(&huart2, (uint8_t*) MSG1, strlen(MSG1), 100); // 发送提示
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HAL_UART_Transmit(&huart2, (uint8_t*) MSG2, strlen(MSG2), 100); // 发送提示
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HAL_UART_Receive_IT(&huart2, RxBuffer, LENGTH); // 启动中断接收
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/* USER CODE END 2 */
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/* Infinite loop */
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/* USER CODE BEGIN WHILE */
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while (1) {
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/* USER CODE END WHILE */
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/* USER CODE BEGIN 3 */
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if (RxFlag) { // 判断帧接收标志
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RxFlag = 0; // 清除帧接收标志
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if (RxBuffer[0] == 0xAA && RxBuffer[3] == 0x55) { // 判断头尾数据是否合法
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switch (RxBuffer[1]) {
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case 1: // 灯1
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if (RxBuffer[2])
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HAL_GPIO_WritePin(LED1_GPIO_Port, LED1_Pin,
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GPIO_PIN_SET);
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else
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HAL_GPIO_WritePin(LED1_GPIO_Port, LED1_Pin,
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GPIO_PIN_RESET);
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break;
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case 2: // 灯2
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if (RxBuffer[2])
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|
HAL_GPIO_WritePin(LED2_GPIO_Port, LED2_Pin,
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|
|
|
|
|
GPIO_PIN_SET);
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|
|
|
|
|
else
|
|
|
|
|
|
HAL_GPIO_WritePin(LED2_GPIO_Port, LED2_Pin,
|
|
|
|
|
|
GPIO_PIN_RESET);
|
|
|
|
|
|
break;
|
|
|
|
|
|
}
|
|
|
|
|
|
} else {
|
|
|
|
|
|
// 非法格式，返回错误
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HAL_UART_Transmit(&huart2, (uint8_t*) ERRMSG, strlen(ERRMSG),
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100);
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}
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|
}
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|
|
|
}
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|
|
|
/* USER CODE END 3 */
|
|
|
|
|
|
}
|
|
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|
|
```
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思考：
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1. 这个简单的格式解析是通信当中的语法和意义；但是还有些不完善，会存在什么缺陷？
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2. 应该如何解决这些问题？
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# 5. DMA方式的串口通信
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