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[TOC]
1. 串口通信概述
1.1. 计算机通信
问题：
- 我们知道的通信方式有哪些？
- 理解通信技术的发展。
- 通信的要素：以烽火为例子。
通信要素：
- 硬件：通信介质
- 软件：
- 语法：格式
- 语义：格式中信息的具体含义
1.1.1. 并行通信
优势：
- 一次传输1个字节；
- 速度快；
- 信息表达相对简单；
劣势：
- 只适合短距离传输；
- 成本高。
问题：那些地方采用并行通信？
1.1.2. 串行通信
优势：
- 适合长距离传输；
- 成本低；
劣势：
- 速度相对较慢；
- 信息表达（通信控制）相对复杂；
问题：
- 那些设备是串行通信？
- 是否可以结合串行和并行的优势？如何结合？
1.2. 串行通信的基本概念
1.2.1. 同步和异步
- 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；
- 通信速度相对较高；
- 如 SPI、I2C通信；
- 不需要时钟同步；
- 通信双方对时间的理解差异可以有少量的偏差；
- 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）；
- 例如USB、UART（串口）；
1.2.2. 异步串行通信的特点
- 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）；
- 通过帧之间的间隔来进行时间的同步；
- 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。
字符格式：
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。
- 空闲情况下，通信线路的电平为高；
- 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）；
- 然后连续发送一个字符和校验位；
- 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；
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。
奇偶校验：
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。
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。
波特率：
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）。
1.2.3. 异步串口通信的数据接收过程
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：
- 接收过程由起始位的下降沿启动。
- 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。
- 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。
- 第一个数据位被采样并存储在接收寄存器中。
- 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。
- 重复此过程，直到所有的数据位都被采样和存储。
- 由停止位的上升沿使数据线返回到空闲状态。
1.2.4. 串行通信的传输方向
1.3. STM32串口通信
数据寄存器：
- 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；
- 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；
通信状态标志位：
轮询方式可以通过读取上述的状态来进行控制：
- RXNE表示有新的数据（字符）；
- TXE：表示可以向TDR写入新的数据；
- TC：发送完成；
中断方式也会有对应的三种方式。
1.4. 硬件结构
串口通信的示意图是这样的：
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：
因此实际的情况是这样：
这个芯片在开发板的位置是：
2. HAL库外设初始化过程
2.1. 串口外设句柄
stm32f1xx_hal_uart.h 的160行；
typedef struct __UART_HandleTypeDef
{
USART_TypeDef *Instance; /*!< UART registers base address */
UART_InitTypeDef Init; /*!< UART communication parameters */
const uint8_t *pTxBuffPtr; /*!< Pointer to UART Tx transfer Buffer */
uint16_t TxXferSize; /*!< UART Tx Transfer size */
__IO uint16_t TxXferCount; /*!< UART Tx Transfer Counter */
uint8_t *pRxBuffPtr; /*!< Pointer to UART Rx transfer Buffer */
uint16_t RxXferSize; /*!< UART Rx Transfer size */
__IO uint16_t RxXferCount; /*!< UART Rx Transfer Counter */
__IO HAL_UART_RxTypeTypeDef ReceptionType; /*!< Type of ongoing reception */
__IO HAL_UART_RxEventTypeTypeDef RxEventType; /*!< Type of Rx Event */
DMA_HandleTypeDef *hdmatx; /*!< UART Tx DMA Handle parameters */
DMA_HandleTypeDef *hdmarx; /*!< UART Rx DMA Handle parameters */
HAL_LockTypeDef Lock; /*!< Locking object */
__IO HAL_UART_StateTypeDef gState; /*!< UART state information related to global Handle management
and also related to Tx operations.
This parameter can be a value of @ref HAL_UART_StateTypeDef */
__IO HAL_UART_StateTypeDef RxState; /*!< UART state information related to Rx operations.
This parameter can be a value of @ref HAL_UART_StateTypeDef */
__IO uint32_t ErrorCode; /*!< UART Error code */
#if (USE_HAL_UART_REGISTER_CALLBACKS == 1)
void (* TxHalfCpltCallback)(struct __UART_HandleTypeDef *huart); /*!< UART Tx Half Complete Callback */
void (* TxCpltCallback)(struct __UART_HandleTypeDef *huart); /*!< UART Tx Complete Callback */
void (* RxHalfCpltCallback)(struct __UART_HandleTypeDef *huart); /*!< UART Rx Half Complete Callback */
void (* RxCpltCallback)(struct __UART_HandleTypeDef *huart); /*!< UART Rx Complete Callback */
void (* ErrorCallback)(struct __UART_HandleTypeDef *huart); /*!< UART Error Callback */
void (* AbortCpltCallback)(struct __UART_HandleTypeDef *huart); /*!< UART Abort Complete Callback */
void (* AbortTransmitCpltCallback)(struct __UART_HandleTypeDef *huart); /*!< UART Abort Transmit Complete Callback */
void (* AbortReceiveCpltCallback)(struct __UART_HandleTypeDef *huart); /*!< UART Abort Receive Complete Callback */
void (* WakeupCallback)(struct __UART_HandleTypeDef *huart); /*!< UART Wakeup Callback */
void (* RxEventCallback)(struct __UART_HandleTypeDef *huart, uint16_t Pos); /*!< UART Reception Event Callback */
void (* MspInitCallback)(struct __UART_HandleTypeDef *huart); /*!< UART Msp Init callback */
void (* MspDeInitCallback)(struct __UART_HandleTypeDef *huart); /*!< UART Msp DeInit callback */
#endif /* USE_HAL_UART_REGISTER_CALLBACKS */
} UART_HandleTypeDef;
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。
2.2. 串口初始化数据类型（p270）
stm32f1xx_hal_uart.h 的46行；
typedef struct
{
uint32_t BaudRate; /*!< This member configures the UART communication baud rate.
The baud rate is computed using the following formula:
- IntegerDivider = ((PCLKx) / (16 * (huart->Init.BaudRate)))
- FractionalDivider = ((IntegerDivider - ((uint32_t) IntegerDivider)) * 16) + 0.5 */
uint32_t WordLength; /*!< Specifies the number of data bits transmitted or received in a frame.
This parameter can be a value of @ref UART_Word_Length */
uint32_t StopBits; /*!< Specifies the number of stop bits transmitted.
This parameter can be a value of @ref UART_Stop_Bits */
uint32_t Parity; /*!< Specifies the parity mode.
This parameter can be a value of @ref UART_Parity
@note When parity is enabled, the computed parity is inserted
at the MSB position of the transmitted data (9th bit when
the word length is set to 9 data bits; 8th bit when the
word length is set to 8 data bits). */
uint32_t Mode; /*!< Specifies whether the Receive or Transmit mode is enabled or disabled.
This parameter can be a value of @ref UART_Mode */
uint32_t HwFlowCtl; /*!< Specifies whether the hardware flow control mode is enabled or disabled.
This parameter can be a value of @ref UART_Hardware_Flow_Control */
uint32_t OverSampling; /*!< Specifies whether the Over sampling 8 is enabled or disabled, to achieve higher speed (up to fPCLK/8).
This parameter can be a value of @ref UART_Over_Sampling. This feature is only available
on STM32F100xx family, so OverSampling parameter should always be set to 16. */
} UART_InitTypeDef;
StopBits
Parity
Mode
HwFlowCtl
注意：一般串口通信都使用三根线，不会用到硬件流控。
OverSampling
2.3. 串口初始化过程
- 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；
- 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；
- HAL_UART_MspInit：位于 stm32f1xx_hal_msp.c；这里才是真正关于串口的初始化；
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。
3. 轮询方式的串口通信
3.1. 轮询方式的接口函数
3.1.1. 串口初始化函数(HAL_UART_Init)
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。
3.1.2. 串口轮询方式发送丽数(HAL UART_Transmit)
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
3.1.3. 串口轮询方式接收函数(HAL UART_Receive)
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。
3.2. 固定长度的数据收发
- 开发板串口使用PA2和PA3：
点击任意一个端口：
知道使用的是串口2
- 设置串口2的参数：
问题：
-
Hardware Flow Control 是什么意思？
-
Over Sampling （过采样）是什么意思？
-
代码编写：
/* USER CODE BEGIN 2 */
uint8_t uartBuf[5];
/* USER CODE END 2 */
/* Infinite loop */
/* USER CODE BEGIN WHILE */
while (1) {
/* USER CODE END WHILE */
/* USER CODE BEGIN 3 */
if (HAL_UART_Receive(&huart2, uartBuf, 5, 100) == HAL_OK) {
HAL_UART_Transmit(&huart2, uartBuf, 5, 100);
}
}
/* USER CODE END 3 */
}
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）。
4. 中断方式的串口通信
中断的效率更高。
4.1. 中断方式的接口函数
4.1.1. 串口中断方式发送函数(HAL_UART_Transmit IT)
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：
4.1.2. 串口中断方式接收函数(HALUART_Receive_IT)
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：
4.1.3. 串口中断通用处理函数(HAL_UART_IRQHandler)
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：
4.1.4. 串口发送中断回调函数(HAL_UART_TxCpltCallback)
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：
4.1.5. 串口接收中断回调函数(HAL_UART_RxCpltCallback)
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：
4.1.6. 串口中断使能函数(__HAL_UART_ENABLE_IT)
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：
4.1.7. 串口中断标志查询函数(__HAL_UART_GET_FLAG）
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：
4.1.8. 空闲中断标志清除函数( __HAL_UART_CLEAR_IDLEFLAG)
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：
4.2. 任务：使用中断方式实现简单的通信协议（p289）
- 与查询方式一样的设置串口，需要打开串口的全局中断：
- 设置PA6为输出，Label为LED1；PA7为输出，Label为LED2
- 完善代码：
/* USER CODE BEGIN 0 */
#define LENGTH 4 // 接收帧的长度
uint8_t RxBuffer[LENGTH]; // 接收缓冲
volatile uint8_t RxFlag = 0; // 是否收到数据的标志
const char *MSG1 = "Please enter instruction.";
const char *MSG2 = "Head->0xAA Device->0x01 Operation->0x00/0x01 Tail->0x55.";
const char *ERRMSG = "Communication Error! Please try again!";
// 中断回调函数
void HAL_UART_RxCpltCallback(UART_HandleTypeDef *huart) {
if (huart->Instance == USART2) {
RxFlag = 1; // 设置帧标志，主函数处理这个标志
HAL_UART_Receive_IT(&huart2, RxBuffer, LENGTH); // 再次启动中断接收
}
}
/* USER CODE END 0 */
int main(void) {
/* USER CODE BEGIN 1 */
/* USER CODE END 1 */
/* MCU Configuration--------------------------------------------------------*/
/* Reset of all peripherals, Initializes the Flash interface and the Systick. */
HAL_Init();
/* USER CODE BEGIN Init */
/* USER CODE END Init */
/* Configure the system clock */
SystemClock_Config();
/* USER CODE BEGIN SysInit */
/* USER CODE END SysInit */
/* Initialize all configured peripherals */
MX_GPIO_Init();
MX_USART2_UART_Init();
/* USER CODE BEGIN 2 */
HAL_UART_Transmit(&huart2, (uint8_t*) MSG1, strlen(MSG1), 100); // 发送提示
HAL_UART_Transmit(&huart2, (uint8_t*) MSG2, strlen(MSG2), 100); // 发送提示
HAL_UART_Receive_IT(&huart2, RxBuffer, LENGTH); // 启动中断接收
/* USER CODE END 2 */
/* Infinite loop */
/* USER CODE BEGIN WHILE */
while (1) {
/* USER CODE END WHILE */
/* USER CODE BEGIN 3 */
if (RxFlag) { // 判断帧接收标志
RxFlag = 0; // 清除帧接收标志
if (RxBuffer[0] == 0xAA && RxBuffer[3] == 0x55) { // 判断头尾数据是否合法
switch (RxBuffer[1]) {
case 1: // 灯1
if (RxBuffer[2])
HAL_GPIO_WritePin(LED1_GPIO_Port, LED1_Pin,
GPIO_PIN_SET);
else
HAL_GPIO_WritePin(LED1_GPIO_Port, LED1_Pin,
GPIO_PIN_RESET);
break;
case 2: // 灯2
if (RxBuffer[2])
HAL_GPIO_WritePin(LED2_GPIO_Port, LED2_Pin,
GPIO_PIN_SET);
else
HAL_GPIO_WritePin(LED2_GPIO_Port, LED2_Pin,
GPIO_PIN_RESET);
break;
}
} else {
// 非法格式，返回错误
HAL_UART_Transmit(&huart2, (uint8_t*) ERRMSG, strlen(ERRMSG),
100);
}
}
}
/* USER CODE END 3 */
}
思考：
- 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？
- 应该如何解决这些问题？
5. DMA方式的串口通信
轮询方式是主动的查询串口的状态，根据寄存器状态来进行收发的操作；这种方式效率比较低。中断方式效率较高，串口当有状态变化的时候会产生中断（中断函数的优先级永远高于主函数），进行对数据进行处理。但是中断方式其实还是一个字节一个字节的收发（看看STM32串口通信），没发送或者是接收一个字节都会产生中断。CPU在每个字节的收发后都要进行处理，这样的方式效率还是不够高。因此有了DMA方式。简单说来，DMA（Direct Memory Access）方式是外设与内存之间建立了一个联系，当有一组数据接收或者发送完成的时候才通知CPU进行处理（中断），这样会大家提高效率，减少CPU的占用时间。
5.1. DMA控制器概述
参考手册143页，描述了芯片有2个DMA控制器。
- 具备两个DMA控制器：DMA1和DMA2，每个控制器有8个数据流，每个数据流可以响应16个来自外设或存储器的 DMA 请求。
- 数据流(stream)是用于连接传输源和传输目标的数据通路，每个数据流可以配置为不同的传输源和传输目标。
- DMA 控制器通过总线仲裁器来协调各个 DMA 请求的优先级。
- 支持三种数据传输方向:从外设到存储器、从存储器到外设以及从存储器到存储器。
- 具备16字节的 FIFO。使能 FIFO功能后，源数据先送人FIFO，达到 FIFO 的触发阈值后，再传送到目标地址。
5.2. DMA的接口函数
5.2.1. 串口DMA 方式发送函数(HAL_UART_Transmit_DMA)
5.2.2. 串口DMA方式接收函数(HAL_UART_Receive_DMA)
5.2.3. DMA数据项数读取函数(__HAL_DMA_GET_COUNTER)
5.2.4. 串口DMA传输停止函数(HAL_UART_DMAStop
5.3. 利用空闲中断和 DMA 实现不定长数据的接收
什么是空闲中断？
串口拉低进行通信；每个字符间有一个停止位（高）；当检查到停止位有两个以上的长度时表示线路Idle；或者说数据不连续。
任务描述：
使用空闲中断，接收一组连续的数据，然后把这些数据返回。因为框架并没有提供idle中断，因此需要修改一下中断处理函数。
5.3.1. 开发板配置
- 设置串口，与以前的一致，需要使能串口2：
- 设置DMA
点击1位置，添加RX的DMA支持（2条目），该配置后面的（Channel，Direction，Priority）保持缺省就可以了。Channel是固定的，这里不能调整；Direction，因为是读取，肯定是外设到内存，因此也不能调整；Priority是用于DMA仲裁的，因为这里只有一个DMA，因此任意值都没有关系。
3位置用于设置 DMA 工作模式，分为Normal和 Circular 两种模式。在Normal模式下，当DMA传输结束时，即指定数量的数据已经完成传输，将不再产生 DMA操作。如果需要再次传输数据，需要在关闭DMA数据流的情况下，重新启动DMA 传输。这种方式相当于单次传输方式。
在 Circular 模式下，当前的 DMA 传输结束时，传输数据的数量将自动重载为初值，数据缓冲区重新指向首地址，只要有数据就会继续DMA传输。这种方式相当于连续传输方式。Circular模式主要用于连续、大批量的数据传递，如 A/D转换中的连续转换模式。而这里的不定长数据接收任务，无法预知一帧数据的字节数。当利用 IDLE 中断接收完一帧数据后，需要暂停 DMA 传输，获取该帧数据的字节数，然后重新启动 DMA 传输，因此选择Normal 模式。
4、5位置的Increment Address：用于设置地址递增。外设作为单一设备，地址固定，因此，地址设置为不递增。而存储器包括多个存储单元，完成一个数据传输后，地址应该自动递增，指向下一个待传输数据的地址，因此设置为自动增加。
5位置的数据宽度：用于设置数据宽度，有Byte(字节)HalfWord(2字节)和Word(4字节)三种选择。由于串口一次只能收发一字节，因此选择 Byte。
- 设置串口2的全局中断，以便可以捕获IDLE中断。
5.3.2. 代码
在main.c的大约22行加入：
/* USER CODE BEGIN Includes */
#include <string.h>
/* USER CODE END Includes */
因为等一下要用到 strlen函数，因此加入 string.h 的引用。
在main.c的大约60行加入：
/* USER CODE BEGIN 0 */
#define LENGTH 100 // 接收缓冲的长度，需要不小于最大帧（连续数据）的长度
uint8_t RxBuffer[LENGTH]; // 接收缓冲，也用于发送
uint8_t RxCount = 0; // 接收到的数据长度
volatile uint8_t RxFlag = 0; // 自定义 Idle 中断标志
const char *MSG1 = "Hello";
/* USER CODE END 0 */
这里主要是变量的定义，注意 RxFlag 这个变量设置成 volatile ，因为在中断中需要对这个变量进行写，在main.c中需要对这个变量进行读。
main.c的大约100行的main函数中：
/* USER CODE BEGIN 2 */
HAL_UART_Transmit(&huart2, (uint8_t*) MSG1, strlen(MSG1), 100); // 发送提示
__HAL_UART_ENABLE_IT(&huart2, UART_IT_IDLE);
HAL_UART_Receive_DMA(&huart2, RxBuffer, LENGTH); // 开启DMA接收
/* USER CODE END 2 */
首先发送欢迎消息，然后启动串口2的IDLE中断，最后启用串口的DMA的接收。
在main函数的循环中：
while (1) {
/* USER CODE END WHILE */
/* USER CODE BEGIN 3 */
if (RxFlag) { // 坚持到IDLE中断，表示一帧数据接收完成
RxFlag = 0; // 重新设置自定义中断标志
HAL_UART_DMAStop(&huart2); // 停止DMA 接收，因为DMA可能没有接收满
RxCount = LENGTH - __HAL_DMA_GET_COUNTER(&hdma_usart2_rx);// 计算收到数据的长度
HAL_UART_Transmit(&huart2, RxBuffer, RxCount, 100); // 发送接收到的数据
// 书上有把缓冲区重新填写为0的代码，其实是不需要的
HAL_UART_Receive_DMA(&huart2, RxBuffer, LENGTH); // 重新开启DMA接收
}
}
循环判断 RxFlag 标志，该标志是在串口中断服务中设置；检查到该标识表示已经接收完连续的一组数据；然后关闭DMA，发送刚刚收到的数据，最后在开始DMA读取。
以上是main.c的代码，下面看看stm32f1xx_it.c的代码。
大约在60行左右：
/* USER CODE BEGIN EV */
extern volatile uint8_t RxFlag; // RxFlag 在 main.c 中定义，这里只是引用
/* USER CODE END EV */
因为FxFlag是在main.c中定义的，这里也是需要使用的，所以声明成外部变量。
在大约204行的串口中断服务中加入以下代码：
/* USER CODE BEGIN USART2_IRQn 1 */
if (__HAL_UART_GET_FLAG(&huart2,UART_FLAG_IDLE) != RESET) {
__HAL_UART_CLEAR_IDLEFLAG(&huart2);
RxFlag = 1;
}
/* USER CODE END USART2_IRQn 1 */
这里判断串口的IDLE标志，如果是真，就设置FxFlag为1，以便main函数使用。