【STM32下UART协议的一些认识与使用方法】

STM32下UART协议的一些认识与使用方法

串口定义
- 通用串行异步收发器
协议中相关的概念
- 空闲位
- 起始位
- 数据位
- 奇偶校验位
- - 三种校验方式
  - BT接收数据的流程
- 停止位
- 波特率
- 总结
UART的三种工作方式
UART控制器
- 发送数据流程
- 接收数据流程
UART初始化
UART相关结构体和库函数

串口定义

通用串行异步收发器

• 通用：UART的应用非常广泛，应用领域：工控行业，电力系统等
• 串行：处理器和外设之间只需连接一根信号线，处理器和外设数据传输是一个bit位一个bit位的传输 
	○ 切记：UART数据传输从低位开始传输
	○ 例如：处理器给BT发送数据0x95(1001 0101)
		最终处理器和BT之间的信号线的时序(高低电平序列)：
		高->低->高->低->高->低->低->高
		1   0   1  0   1   0  0   1
• 并行：处理器和外设之间数据传输会连接多根数据线(8/16/32)， 一次可以传输多个字节
• 串行和并行对比：
		□ 传输速度：一般来说，并行要快于串行
		□ 抗干扰：串行优于并行
		□ 传输距离：串行优于并行
• 异步：数据以独立的字节形式传输，每个字节都被单独同步。发送方和接收方必须事先约定好数据速率
      （波特率）、数据位、停止位和奇偶校验位等参数，以确保数据能被正确解析。
• 收发器：发送数据和接收数据的硬件单元
		如果CPU给外设发送数据：CPU是发送器，外设是接收器
		如果外设给CPU发送数据：外设是发送器，CPU是接收器

在这里插入图片描述

问：何为数据同步呢？
答：处理器和外设的数据传输必须在同一个步调上,保证双方数据传输无误，不能出现数据丢失现象
    例如：CPU给BT外设发送1,2，CPU发送完1之后，BT只有将1接收完毕，CPU才能发送数据2
    
问：何为异步呢？
答：“异步”是指在数据传输时，发送方和接收方没有统一的时钟信号来同步数据。
   在异步通信中，每个数据字节（通常是8位）前面会加上一个起始位，后面加上一个或多个停止位，
   有时还会加上奇偶校验位。这种方式允许接收方在接收到每个字节的起始位时重新同步。
   因此，即便是在没有共享时钟信号的情况下，接收方也能准确地捕获发送方发出的每个字节。
   
问：何为同步呢？
答：说明处理器和外设之间不仅仅需要数据线(顾名思义用来传输数据的信号线)
   还需要连接一根时钟控制信号线,此信号线用于双方的数据同步，此方式就是同步方式
    简单来说就四个字：低放高取

协议中相关的概念

空闲位

处理器和外设不进行数据传输时，数据线上持续发送空闲位,空闲位的有效位数为一个 bit位, 高电平有效

起始位

如果处理器和外设开始传输数据,首先传输起始位，有效位数为一个bit位，低电平有效

数据位

表示处理器和外设传输数据的有效位数,数据位的有效位数：5/6/7/8,一般选择8位（表示传输的数据有效位数为8个bit位）
注意：处理器和外设数据位保持一致

奇偶校验位

用于检测双方数据传输是否发生了错误，有效位数为一个bit位,如果不校验，则无需发送校验位
注意：双方的校验方式保持一致

三种校验方式

奇校验(odd)
偶校验(even)
不校验(None)
例如：处理器给BT发送数据0x95(1001 0101),采用奇校验方式
处理器发送数据流程：
首先处理器将0x95通过一根数据线发给bt
然后处理器计算0x95中"1"的个数,为4个,而现在采用的是奇校验
所以处理器此时心里就明白将来要发送的校验位的值为1,因为：4+1=5(奇数)
最后处理器通过数据线再给BT发送一个校验位为1

BT接收数据的流程

首先BT从数据线上将处理器发送来的数据进行接收，0x95(1001 1010 假设传输无误)
然后BT计算0x95中"1"的个数为4，而BT也采用奇校验，所以BT心里明白待会儿处理器发送的校验位肯定是1
最后BT从数据线上将处理器发送来的校验位1进行接收然后判断：
a.如果确实是1，则数据传输无误
b.如果是0，说明数据传输出错了

停止位

如果处理器和外设要结束数据的传输，只需发送停止位即可，有效位数为:1/2
有效电平是高电平，注意：处理器和外设停止位保持一致

波特率

表示双方数据传输的速率，常用的两个波特率：115200bps/9600bps
(bps = bit per second = 每秒传输多少位)
注意：双方的配置也要一致
在这里插入图片描述

总结

UART数据传输的协议流程：
空闲位->起始位->数据位->(校验位)->停止位->空闲位

问：如果要传输2个字节或者2个字节以上的数据，流程应该是什么样呢？
答：空闲位->起始位->低字节的8位数据->(校验位)->停止位->
   起始位->高字节的8位数据->(奇偶校验)->停止位...->空闲位

UART的三种工作方式

	单工：数据传输永远朝一个方向
	半双工：数据传输可以双向进行，但是同一时刻只能朝一个方向
	全双工：数据传输可以同时双向进行，一般都是工作在全双工模式下

结论：UART实际硬件连接至少三根线：TX（发送）,RX（接收）,GND（共地）
在这里插入图片描述

UART控制器

发送数据流程

	• 由于CPU核发送数据的速度，也就是向数据寄存器DR中写入数据的速度远远快于发送移位寄存器将数据
	  一位一位的发送到TX引脚上的速度,所以首先判断TC位是否为1,如果为1表示发送数据寄存器为空
	  则CPU方可发送数据，否则采用轮询方式等待，直到发送数据寄存器为空也就是TC为1时才能发送下一
	  个数据
	• 如果TC为1，则CPU核软件上以指针或者采用库函数将数据放到数据寄存器DR中
	• 发送数据寄存器的数据硬件上自动拷贝到发送移位器中
	• 发送移位器根据给定的波特率将数据一位一位的按照UART协议发送到TX引脚上

在这里插入图片描述

接收数据流程

• 接收移位器首先根据给定的波特率将数据一位一位的按照UART协议从RX引脚上获取数据
• 接收移位寄存器中的数据硬件上自动拷贝到数据寄存器DR中
• 由于CPU核从数据寄存器DR中读取数据的速度远远快于接收移位器从RX引脚上一位一位接收数据的速度，
  所以当RXNE为1时,CPU核方可从数据寄存器DR中获取数据，否则CPU核轮询等待，直到数据寄存器DR中有
  数据也就是RXNE为1时CPU才能读取数据
• 如果RXNE为1，则CPU核软件上以指针或者采用库函数从数据寄存器DR中读取数据

UART初始化

使能串口时钟及GPIO端口时钟

RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOA,ENABLE); //使能GPIOA时钟
RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_USART1,ENABLE);//使能USART1时钟

GPIO端口模式设置，设置串口对应的引脚为复用功能
在这里插入图片描述

UART相关结构体和库函数

typedef struct
{
  uint32_t USART_BaudRate;            //波特率，例如：115200
  uint16_t USART_WordLength;          //字长
  uint16_t USART_StopBits;            //停止位
  uint16_t USART_Parity;              //校验位
  uint16_t USART_Mode;                //USART模式
  uint16_t USART_HardwareFlowControl; //硬件流控制
} USART_InitTypeDef;