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stm32-course/book/06：串口通信/01.md

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[TOC]

1. 串口通信概述

1.1. 计算机通信

问题：

  1. 我们知道的通信方式有哪些？
  2. 理解通信技术的发展。
  3. 通信的要素：以烽火为例子。

通信要素：

  1. 硬件：通信介质
  2. 软件：
    1. 语法：格式
    2. 语义：格式中信息的具体含义

1.1.1. 并行通信

image-20240926082752190

优势：

  1. 一次传输1个字节；
  2. 速度快；
  3. 信息表达相对简单；

劣势：

  1. 只适合短距离传输；
  2. 成本高。

问题：那些地方采用并行通信？

1.1.2. 串行通信

image-20240926083220154

优势：

  1. 适合长距离传输；
  2. 成本低；

劣势：

  1. 速度相对较慢；
  2. 信息表达（通信控制）相对复杂；

问题：

  1. 那些设备是串行通信？
  2. 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

image-20240926105411531

  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；
  2. 通信速度相对较高；
  3. 如 SPI、I2C通信；

image-20240926105432567

  1. 不需要时钟同步；
  2. 通信双方对时间的理解差异可以有少量的偏差；
  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）；
  4. 例如USB、UART（串口）；

1.2.2. 异步串行通信的特点

image-20240926110126910

  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）；
  2. 通过帧之间的间隔来进行时间的同步；
  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。

字符格式：

image-20240926110639835

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。

  1. 空闲情况下，通信线路的电平为高；
  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）；
  3. 然后连续发送一个字符和校验位；
  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；

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。

alt text

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。

image-20240926114933398

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

image-20240926115059698

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：

  1. 接收过程由起始位的下降沿启动。
  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。
  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。
  4. 第一个数据位被采样并存储在接收寄存器中。
  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。
  6. 重复此过程，直到所有的数据位都被采样和存储。
  7. 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

image-20240926120728340

1.3. STM32串口通信

image-20240926120759519

数据寄存器：

  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；
  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；

通信状态标志位：

image-20240926163850067

轮询方式可以通过读取上述的状态来进行控制：

  1. RXNE表示有新的数据（字符）；
  2. TXE：表示可以向TDR写入新的数据；
  3. 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：

alt text

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：

image-20240926165734028

因此实际的情况是这样：

alt text

这个芯片在开发板的位置是：

image-20240926170851906

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

image-20240929154747976

Parity

image-20240929154807419

Mode

image-20240929154830676

HwFlowCtl

image-20240929154857111

注意：一般串口通信都使用三根线，不会用到硬件流控。

OverSampling

image-20240929154951411

2.3. 串口初始化过程

image-20240929162341424

  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；
  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；
  3. 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。

image-20240929151719021

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

image-20240929151812868

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。

image-20240929151902186

3.2. 固定长度的数据收发

  1. 开发板串口使用PA2和PA3：

image-20240929152437856

点击任意一个端口：

image-20240929152348644

知道使用的是串口2

  1. 设置串口2的参数：

image-20240929152813604

问题：

  1. Hardware Flow Control 是什么意思？

  2. Over Sampling （过采样）是什么意思？

  3. 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：

image-20240929163645757

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：

image-20240929163815598

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：

image-20240929163945133

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：

image-20240929164054977

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：

image-20240929164202400

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：

image-20240929164333113

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：

image-20240929164437770

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：

image-20240929164531359

4.2. 任务：使用中断方式实现简单的通信协议（p289）

  1. 与查询方式一样的设置串口，需要打开串口的全局中断：

image-20240929181629409

  1. 设置PA6为输出，Label为LED1；PA7为输出，Label为LED2
  2. 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：

  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？
  2. 应该如何解决这些问题？

5. DMA方式的串口通信