STM32F4学习笔记6——USART Part1

USART又叫通用同步异步收发器，塔提供了一种灵活的方法与工业使用标准NRZ异步春航数据格式的外部设备之间进行全双工数据交换。USART利用分数波特率发生器提供宽范围的波特率选择，支持同步单向通信和半双工单线通信，也支持LIN（局部互联网），智能卡协议和IrDA（红外数据组织）SIR ENDEC规范以及调制解调器（CTS/RTS）操作，它还允许多处理器通信，使用多换成器配置的DMA方式，可以实现高速数据通信。 
USART寄存器控制框图如下 

可通过对 USART_CR1 寄存器中的 M 位进行编程来选择 8（置0） 位或 9（置1） 位的字长。TX 引脚在起始位工作期间处于低电平状态。在停止位工作期间处于高电平状态。 
空闲字符可理解为整个帧周期内电平均为“1”（停止位的电平也是“1”），该字符后是下一个数据帧的起始位。 
停止字符可理解为在一个帧周期内接收到的电平均为“0”。发送器在中断帧的末尾插入 1 或 2 个停止位（逻辑“1”位）以确认起始位。 
发送和接收由通用波特率发生器驱动，发送器和接收器的使能位分别置 1 时将生成相应的发送时钟和接收时钟。 

字符发送 
USART 发送期间，首先通过 TX 引脚移出数据的最低有效位。该模式下，USART_DR 寄存 器的缓冲区 (TDR) 位于内部总线和发送移位寄存器之间。 
每个字符前面都有一个起始位，其逻辑电平在一个位周期内为低电平。字符由可配置数量的停止位终止。 
USART 支持以下停止位：0.5（智能卡模式下接收数据使用）、1（默认）、1.（智能卡模式下发送与接收使用）5 和 2（正常USART模式，单线模式和调制解调器模式支持该值） 个停止位。 
注意：数据发送期间不应复位 TE 位。发送期间复位 TE 位会冻结波特率计数器，从而将损坏 TX 引 脚上的数据。当前传输的数据将会丢失。 
使能 TE 位后，将会发送空闲帧。

停止位的配置 
 
步骤： 
1.通过向 USART_CR1 寄存器中的 UE 位写入 1 使能 USART。 
2. 对 USART_CR1 中的 M 位进行编程以定义字长。 
3. 对 USART_CR2 中的停止位数量进行编程。 
4. 如果将进行多缓冲区通信，请选择 USART_CR3 中的 DMA 使能 (DMAT)。按照多缓冲区 通信中的解释说明配置 DMA 寄存器。 
5. 使用 USART_BRR 寄存器选择所需波特率。 
6. 将 USART_CR1 中的 TE 位置 1 以便在首次发送时发送一个空闲帧。 
7. 在 USART_DR 寄存器中写入要发送的数据（该操作将清零 TXE 位）。为每个要在单缓 冲区模式下发送的数据重复这一步骤。 
8. 向 USART_DR 寄存器写入最后一个数据后，等待至 TC=1。这表明最后一个帧的传送已 完成。禁止 USART 或进入暂停模式时需要此步骤，以避免损坏最后一次发送。

单字节通信 
始终通过向数据寄存器写入数据来将 TXE 位清零。 
TXE 位由硬件置 1，它表示： 
● 数据已从 TDR 移到移位寄存器中且数据发送已开始。 
● TDR 寄存器为空。 
● USART_DR 寄存器中可写入下一个数据，而不会覆盖前一个数据。 
TXEIE 位置 1 时该标志位会生成中断。 
发送时，要传入 USART_DR 寄存器的写指令中存有 TDR 寄存器中的数据，该数据将在当 前发送结束时复制到移位寄存器中。 
未发送时，要传入 USART_DR 寄存器的写指令直接将数据置于移位寄存器中，数据发送开 始时，TXE 位立即置 1。 
如果帧已发送（停止位后）且 TXE 位置 1，TC 位将变为高电平。如果 USART_CR1 寄存器 中的 TCIE 位置 1，将生成中断。 
向 USART_DR 寄存器中写入最后一个数据后，必须等待至 TC=1，之后才可禁止 USART 或使微控制器进入低功率模式。 
TC 位通过以下软件序列清零： 
1.从 USART_SR 寄存器读取数据 
2. 向 USART_DR 寄存器写入数据 
注意：还可通过向 TC 位写入“0”将其清零。建议仅在多缓冲区通信时使用此清零序列。 

中断字符 
将 SBK 位置 1 将发送一个中断字符。中断帧的长度取决于 M 位。（见上图USART字符说明） 
如果 SBK 位置“1”，当前字符发送完成后，将在 TX 线路上发送一个中断字符。中断字符 发送完成时（发送中断字符的停止位期间），该位由硬件复位。USART 在上一个中断帧的 末尾插入一个逻辑“1”位，以确保识别下个帧的起始位。 
注意：如果软件在中断发送开始前对 SBK 位进行了复位，将不会发送中断字符。对于两个连续的中 断，应在上一个中断的停止位发送完成后将 SBK 位置 1。

空闲字符 
将 TE 位置 1 会驱动 USART 在第一个数据帧之前发送一个空闲帧。（见上图USART字符说明）

字符接收（位数取决于M位） 
起始位检测 
无论设置为16 倍或 8 倍过采样时，起始位检测序列相同都以16倍过采样检测。 
在 USART 中，识别出特定序列的采样时会检测起始位。该序列为：1 1 1 0 X 0 X 0 X 0 0 0 0。 
 
注意：如果序列不完整，起始位检测将中止，接收器将返回空闲状态（无标志位置 1）等待下降沿。 
如果 3 个采样位均为 0（针对第 3 位、第 5 位和第 7 位进行首次采样时检测到这 3 位均为 0； 针对第 8 位、第 9 位和第 10 位进行第二次采样时检测到这 3 位均为 0），可确认起始位 （RXNE 标志位置 1，RXNEIE=1 时生成中断）。 
如果两次采样时（对第 3 位、第 5 位和第 7 位进行采样以及对第 8位、第 9 位和第 10 位进 行采样），3 个采样位中至少有 2 个为 0，则可验证起始位（RXNE 标志位置 1，RXNEIE=1 时生成中断）但 NE 噪声标志位置 1。如果不满足此条件，则启动检测中止，接收器返回空 闲状态（无标志位置 1）。 
如果其中一次采样时（对第 3 位、第 5 位和第 7 位进行采样或对第 8 位、第 9 位和第 10 位 进行采样），3 个采样位中有 2 个为 0，则可验证起始位但 NE 噪声标志位置 1。

字符接收 
USART 接收期间，首先通过 RX 引脚移入数据的最低有效位。该模式下，USART_DR 寄存 器的缓冲区 (RDR) 位于内部总线和接收移位寄存器之间。 
步骤： 
1.通过向 USART_CR1 寄存器中的 UE 位写入 1 使能 USART。 
2. 对 USART_CR1 中的 M 位进行编程以定义字长。 
3. 对 USART_CR2 中的停止位数量进行编程。 
4. 如果将进行多缓冲区通信，请选择 USART_CR3 中的 DMA 使能 (DMAR)。按照多缓冲 区通信中的解释说明配置 DMA 寄存器。步骤 3 
5. 使用波特率寄存器 USART_BRR 选择所需波特率 
6. 将 RE 位 USART_CR1 置 1。这一操作将使能接收器开始搜索起始位。 
接收到字符时 
● RXNE 位置 1。这表明移位寄存器的内容已传送到 RDR。也就是说，已接收到并可读取数据（以及其相应的错误标志）。 
● 如果 RXNEIE 位置 1，则会生成中断。 
● 如果接收期间已检测到帧错误、噪声错误或上溢错误，错误标志位可置 1。 
● 在多缓冲区模式下，每接收到一个字节后 RXNE 均置 1，然后通过 DMA 对数据寄存器执行读操作清零。 
● 在单缓冲区模式下，通过软件对 USART_DR 寄存器执行读操作将 RXNE 位清零。RXNE标志也可以通过向该位写入零来清零。RXNE 位必须在结束接收下一个字符前清零，以避免发生上溢错误。 
注意：接收数据时，不应将 RE 位复位。如果接收期间禁止了 RE 位，则会中止接收当前字节。

中断字符 
接收到中断字符时，USART 将会按照帧错误对其进行处理。

空闲字符 
检测到空闲帧时，处理步骤与接收到数据的情况相同；如果 IDLEIE 位为 1，则会产生中断。

上溢错误 
如果在 RXNE 未复位时接收到字符，则会发生上溢错误。RXNE 位清零前，数据无法从移位 寄存器传送到 RDR 寄存器。 
每接收到一个字节后，RXNE 标志位都将置 1。当 RXNE 标志位是 1 时，如果在接收到下一 个数据或尚未处理上一个 DMA 请求时，则会发生上溢错误。发生上溢错误时： ● ORE 位置 1。 
● RDR 中的内容不会丢失。对 USART_DR 执行读操作时可使用先前的数据。 
● 移位寄存器将被覆盖。之后，上溢期间接收到的任何数据都将丢失。 
● 如果 RXNEIE 位置 1 或 EIE 与 DMAR 位均为 1，则会生成中断。 
● 通过先后对 USART_SR 寄存器和 USART_DR 寄存器执行读操作将 ORE 位清除。 
注意：ORE 位置 1 时表示至少 1 个数据丢失。存在两种可能： 
● 如果 RXNE=1，则最后一个有效数据存储于接收寄存器 RDR 中并且可进行读取； 
● 如果 RXNE=0，则表示最后一个有效数据已被读取，因此 RDR 中没有要读取的数据。接收到新（丢失）数据的同时已读取 RDR中的最后一个有效数据时，会发生该情况。读取序列期间（在 USART_SR 寄存器读访问与 USART_DR 读访问之间）接收到新数据时也会发生该情况。

选择合适的过采样方法 
接收器采用不同的用户可配置过采样技术（除了同步模式下），可以从噪声中提取有效数据。 
可通过编程 USART_CR1 寄存器中的 OVER8 位来选择采样方法，且采样时钟可以是波特率 时钟的 16 倍或 8 倍。 
根据应用： 
● 选择 8 倍过采样 (OVER8=1) 以获得更高的速度（高达 fPCLK/8）。这种情况下接收器对时钟偏差的最大容差将会降低。 
● 选择 16 倍过采样 (OVER8=0) 以增加接收器对时钟偏差的容差。这种情况下，最大速度限制为最高 fPCLK/16可通过编程 USART_CR3 寄存器中的 ONEBIT 位选择用于评估逻辑电平的方法。有两种选择： 
● 在已接收位的中心进行三次采样，从而进行多数表决。这种情况下，如果用于多数表决的 3 次采样结果不相等，NF 位置 1。 
● 在已接收位的中心进行单次采样 
根据应用： 
— 在噪声环境下工作时，请选择三次采样的多数表决法 (ONEBIT=0)；在检测到噪声时请拒绝数据，因为这表示采样过程中产生了干扰。 
— 线路无噪声时请选择单次采样法 (ONEBIT=1) 以增加接收器对时钟偏差的容差。这种情况下NF 位始终不会置 1。 
帧中检测到噪声时： 
● 在 RXNE 位的上升沿时 NF 位置 1。 
● 无效数据从移位寄存器传送到 USART_DR 寄存器。 
● 单字节通信时无中断产生。然而，在 RXNE 位产生中断时，该位出现上升沿。多缓冲区通信时，USART_CR3 寄存器中的 EIE 位置 1 时将发出中断。 
通过先后对 USART_SR 寄存器和 USART_DR 寄存器执行读操作将 NF 位清零。 
注意：智能卡、IrDA 和 LIN 模式下不可采用 8 倍过采样。在这些模式下，OVER8 位由硬件强制 清零。 

帧错误 
以下情况下将检测到帧错误： 
接收数据时未在预期时间内识别出停止位，从而出现同步失效或过度的噪声。 
检测到帧错误时： 
● FE 位由硬件置 1 
● 无效数据从移位寄存器传送到 USART_DR 寄存器。 
● 单字节通信时无中断产生。然而，在 RXNE 位产生中断时，该位出现上升沿。多缓冲区通信时，USART_CR3 寄存器中的 EIE 位置 1 时将发出中断。 
通过先后对 USART_SR 寄存器和 USART_DR 寄存器执行读操作将 FE 位清零。

接收期间可配置的停止位 
可通过控制寄存器 2 中的控制位配置要接收的停止位的数量 - 可以是 1 或 2 个（正常模式下）， 也可以是 0.5 或 1.5 个（智能卡模式下）。 
1.0.5 个停止位（在智能卡模式下接收时）：不会对 0.5 个停止位进行采样。结果，选择 0.5 个 停止位时，无法检测到帧错误和中断帧。 
2. 1 个停止位：将在第 8、第 9 和第 10 次采样时对 1 个停止位进行采样。 
3. 1.5 个停止位（在智能卡模式下）：在智能卡模式下发送时，设备必须检查数据是否正确 发送。因此必须使能接收器块（USART_CR1 寄存器中的 RE =1）并检查停止位，以测 试智能卡是否已检测到奇偶校验错误。发生奇偶校验错误时，智能卡会在采样时将数据信号强制为低电平，即 NACK 信号-，该信号被标记为帧错误。之后，FE 标志在 1.5 个 停止位的末尾由 RXNE 置 1。在第 16、第 17 和第 18 次采样时对 1.5 个停止位进行采 样（停止位采样开始后维持 1 个波特时钟周期）。1.5 个停止位可分为 2 个部分：0.5 个 波特时钟周期（未发生任何动作），然后是 1 个正常的停止位周期（一半时间处进行采 样）。 
4. 2 个停止位：采样 2 个停止位时在第 8、第 9 和第 10 次采样时对第一个停止位进行采 样。如果在第一个停止位期间检测到帧错误，则帧错误标志位将会置1。发生帧错误时 不检测第 2 个停止位。RXNE 标志将在第一个停止位末尾时置 1。

小数波特率生成 
对 USARTDIV 的尾数值和小数值进行编程时，接收器和发送器（Rx 和 Tx）的波特率均设置 为相同值。 
 
USARTDIV 是一个存放在 USART_BRR 寄存器中的无符号定点数。 
● 当 OVER8=0 时，小数部分编码为 4 位并通过 USART_BRR 寄存器中的 DIV_fraction[3:0]位编程。 
● 当 OVER8=1 时，小数部分编码为 3 位并通过 USART_BRR 寄存器中的 DIV_fraction[2:0]位编程，此时 DIV_fraction[3] 位必须保持清零状态。 
注意：对 USART_BRR 执行写操作后，波特率计数器更新为波特率寄存器中的新值。因此，波特率 寄存器的值不应在通信时发生更改。

奇偶校验控制 
将 USART_CR1 寄存器中的 PCE 位置 1，可以使能奇偶校验控制（发送时生成奇偶校验位，接 收时进行奇偶校验检查） 

偶校验 
对奇偶校验位进行计算，使帧和奇偶校验位中“1”的数量为偶数（帧由 7 个或 8 个 LSB 位 组成，具体取决于 M 等于 0 还是 1）。 
例如：数据=00110101；4 个位置 1 => 如果选择偶校验（USART_CR1 寄存器中的 PS 位 = 0），则校验位是 0。

奇校验 
对奇偶校验位进行计算，使帧和奇偶校验位中“1”的数量为奇数（帧由 7 个或 8 个 LSB 位 组成，具体取决于 M 等于 0 还是 1）。 
例如：数据=00110101；4 个位置 1 => 如果选择奇校验（USART_CR1 寄存器中的 PS 位 = 1），则校验位是 1。

接收时进行奇偶校验检查 
如果奇偶校验检查失败，则 USART_SR 寄存器中的 PE 标志置 1；如果 USART_CR1 寄存 器中 PEIE 位置 1，则会生成中断。PE 标志由软件序列清零（从状态寄存器中读取，然后对 USART_DR 数据寄存器执行读或写访问）。 
注意：如果被地址标记唤醒：会使用数据的 MSB 位而非奇偶校验位来识别地址。此外，接收器不会 对地址数据进行奇偶校验检查（奇偶校验出错时，PE 不置 1）。

发送时的奇偶校验生成 
如果 USART_CR1 寄存器中的 PCE 位置 1，则在数据寄存器中所写入数据的 MSB 位会进 行传送，但是会由奇偶校验位进行更改（如果选择偶校验 (PS=0)，则“1”的数量为偶数； 如果选择奇校验 (PS=1)，则“1”的数量为奇数）。 
注意：用于管理发送过程的软件程序可以激活软件序列，进而将 PE 标志清零（从状态寄存器中读取， 然后对数据寄存器执行读或写访问）。在半双工模式下工作时（具体取决于软件），这可能会导致 PE 标志意外清零。