STM32的UART读写及printf打印

0.摘要

本文以STM32F1x系列单片机为例，主要介绍了串口的初始化、串口中断、接收/发送、串口调试等内容，也顺带讲到中断分组、半主机模式以及微库MicroLIB。

1.串口初始化

串口初始化主要包括对IO、USART和中断的初始化。根据STM32F1x手册RM0008的P166，USART在全双工模式下，发送口TX要配置成复用推挽输出，接收口RX要配置成浮空输入或上拉输入。此外，本文不使用USART的硬件流控制，所谓硬件流控制就是通过加入额外的引脚（RTS和CTS）来控制数据的收发过程，在数据传输之前确认收发双方均准备好才进行通信，用于防止接收缓冲区满而导致的数据丢失问题。

/*****************************************************

*function: 初始化串口1

*param: 串口波特率

*return:

******************************************************/

void USART1_Init(unsigned int BaudRate)

{

GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;

USART_InitTypeDef USART_InitStructure;

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

/* TX - PA.9 */

GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_9; //PA.9

GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;

GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_AF_PP; //复用推挽输出

GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStructure);

/* RX - PA.10 */

GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_10; //PA.10

GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_IN_FLOATING; //浮空输入

GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStructure);

USART_InitStructure.USART_BaudRate = BaudRate; //波特率

USART_InitStructure.USART_WordLength = USART_WordLength_8b; //字长8位

USART_InitStructure.USART_StopBits = USART_StopBits_1; //停止位1位

USART_InitStructure.USART_Parity = USART_Parity_No; //无奇偶校验

USART_InitStructure.USART_HardwareFlowControl = USART_HardwareFlowControl_None; //无硬件数据流控制

USART_InitStructure.USART_Mode = USART_Mode_Rx | USART_Mode_Tx; //收/发模式

USART_Init(USART1, &USART_InitStructure);

USART_ITConfig(USART1, USART_IT_RXNE, ENABLE); //开启接收中断

USART_ITConfig(USART1, USART_IT_IDLE, ENABLE); //开启空闲中断

USART_Cmd(USART1, ENABLE);

}

中断部分的配置较为简单，主要涉及中断分组的问题。在说中断分组之前，必须先了解中断优先级：STM32F1x的中断优先级分为抢占优先级（先优先级）和响应优先级（从优先级），不同抢占优先级的中断可相互打断（即相互嵌套）。抢占优先级相同的两个中断不可相互打断，先发生（中断）者先执行，如果同时发生（中断），则高响应优先级者先执行。这两个优先级在STM32F1x中通过寄存器的4个位来表示，究竟用多少个位表示抢占优先级，多少个位表示响应优先级呢？STM32F1x并没有定死，而是通过中断分组来让用户灵活分配。各中断分组定义如下图所示（截自UM0427的P228）。本文由于只使用了一个中断，因此选择任何一个分组的任何一个优先级都无所谓。

/*****************************************************

*function: 串口1中断配置

*param:

*return:

******************************************************/

void NVIC_Config(void)

{

NVIC_InitTypeDef NVIC_InitStructure;

NVIC_PriorityGroupConfig(NVIC_PriorityGroup_1); //中断分组1：1位抢占优先级，3位响应优先级

NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannel = USART1_IRQn; //中断通道

NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelPreemptionPriority = 1; //抢占优先级

NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelSubPriority = 3; //子优先级

NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelCmd = ENABLE; //使能中断

NVIC_Init(&NVIC_InitStructure);

}

2.串口接收

串口接收通过中断来实现，即当接收到数据时，产生中断，程序转去处理接收到的数据。接收数据用的中断包括接收中断（RXNE）和空闲中断（IDLE），如下图所示（截自RM0008的P821）。接收中断较好理解，就是每接收到一个字节的数据，就会产生中断。而空闲中断则是在接收完多个连续的字节（即一个数据帧）之后产生中断。

本文同时开启接收中断和空闲中断，串口每收到一个字节的数据，就进入接收中断，把它读取出来放好。当收完一帧数据时，就会进入空闲中断，把所接收的n个字节的数据打印出来（串口打印见下一小节）。由于同个USART的中断共用一个中断服务函数，故在函数中需要对中断源进行判断，再执行相应的操作。值得注意的是，每次进入中断都要读一下DR寄存器（Data Register），否则将不断地进入中断。

/*****************************************************

*function: 串口1中断服务函数，打印接收到的字节

*param:

*return:

******************************************************/

void USART1_IRQHandler(void)

{

static unsigned char buff[64];

static unsigned char n = 0;

unsigned char i;

if(USART_GetITStatus(USART1, USART_IT_RXNE) != RESET) //判断是否为接收中断

{

buff[n++] = USART1->DR; //读取接收到的字节数据

if(n == 64)

{

n = 0;

}

}

if(USART_GetITStatus(USART1, USART_IT_IDLE) != RESET) //判断是否为空闲中断

{

USART1->DR; //读DR，清标志

printf("%d characters:\r\n", n);

for(i=0; i

{

printf("buff[%d] = 0x%02hhx\r\n", i, buff[i]); //输出十六进制，保留最低两位，不够补0

}

n = 0;

}

}

3.串口发送与printf打印

前面说的的DR寄存器是一个可读写寄存器（实际上是由两个寄存器组成），串口的发送和接收都要围着它转，收到的数据从它里面读，而发送的数据要往它里面扔。串口的发送操作非常简单，一条语句就能搞定，就是往DR寄存器写入要发送的数据：

USART1->DR = data;

或者使用库函数：

USART_SendData(USART1, data);

串口在嵌入式领域不仅是一个通讯接口，还是一种调试工具，其好用程度不亚于硬件仿真。学过C语言的朋友应该都知道标准库函数printf()和scanf()，前者用于打印信息到控制台上，后者实现从键盘读入字符到程序。Keil、IAR等集成开发环境均支持标准库函数，如果在单片机的程序里调用printf()打印内容，最终会在哪里显示呢？答案是不可知的，因为单片机没有控制台这种东西，但我们可以利用它的外设来实现printf()，比如LCD或串口（串口再接到电脑上显示打印信息）。串口基本上大多数单片机都有，而LCD就不一定了，所以我们通常用串口来打印内容。

那么只要是有串口的单片机，调用一下printf()就可以打印信息了吗？还没那么简单，单片机并不能猜透你的意图，你需要告诉它往哪里printf，通过下面的fputc()函数来实现。fputc()是printf()的底层函数，需要把它改装一番，让它把要打印的数据发送到串口上去。

/*****************************************************

*function: 写字符文件函数

*param1: 输出的字符

*param2: 文件指针

*return: 输出字符的ASCII码

******************************************************/

int fputc(int ch, FILE *f)

{

while(USART_GetFlagStatus(USART1, USART_FLAG_TC) == RESET); //等待上次发送结束

USART_SendData(USART1, (unsigned char)ch); //发送数据到串口

return ch;

}

除此之外，我们还要再做一点配置工作——禁用半主机模式，禁用了半主机模式才能使用标准库函数printf()打印信息到串口，在程序中加入以下代码即可。那么什么是半主机模式？为什么不用它？半主机模式是ARM单片机的一种调试机制，跟串口调试不一样的是，它需要通过仿真器来连接电脑和ARM单片机，并调用相应的指令来实现单片机向电脑显示器打印信息（或者从电脑键盘读取输入）。简而言之，这种方法比串口调试更复杂（需要进行更多的配置操作），也更不灵活（一定要用仿真器）。

/********** 禁用半主机模式 **********/

#pragma import(__use_no_semihosting)

struct __FILE

{

int a;

};

FILE __stdout;

void _sys_exit(int x)

{

}

上面的配置似乎有点麻烦，要加入这么一堆难懂的代码，难道没有更简便点的方法吗？有，但不推荐。方法是使用微库（MicroLIB），只要在Keil的“Options for Target -> Target ->Use MicroLIB”上打钩，即可使用串口打印（fputc()函数还是要改，但上述代码不用加）。微库是区别于C标准库的另一个库，当使用微库时，就默认关闭了半主机模式，也就不用添加上面的代码。这样虽然方便，但个人建议能不用就不用，原因：第一，微库是为小内存嵌入式设备而设计的，使用它可以减少代码所占空间，但对现在STM32等单片机来说，内存一般都够用，微库并非必需；第二，微库相对于C标准库而言，支持的功能更少，主要体现在对操作系统的支持上。总的来说，标准的东西总是相对更可靠，所以不必要的掉坑，还是用C标准库，不用微库。

4.最后

我们还需要一个USB转TTL模块和一台装有串口调试软件的电脑，就可以看到单片机打印到串口上的内容了。从此，如果我们想看某个变量的值，可以打印一下，想看程序跑到哪个地方，也可以打印一下，想让单片机向世界say个hello，还是可以打印一下。妈妈再也不用担心我的调试！

主函数：

int main()

{

USART1_Init(115200);

NVIC_Config();

printf("Hello, world!\r\n");

printf("Please enter any character:\r\n");

while(1);

}

运行效果：

参考：

[1] RM0008 (STM32F1x用户手册)

[2] UM0427 (STM32F101x/STM32F103x固件库手册)

[3] Keil官方对半主机模式semihosting的介绍

[4] Keil官方对微库MicroLib的介绍