USART

Author：余生

通信协议是规定了不同设备或系统之间如何进行数据交换的规则集。在 STM32 的应用场景中，通信协议可以分为物理层、数据链路层、网络层、传输层和应用层等几个层次，但通常我们更关注的是具体的通信接口标准和技术，如 UART、SPI、I2C 等。下面我们将学习几种常见的串行通信协议及其在 STM32 中的应用。

我们来从最底层的物理信号开始，深入剖析：一个高电平、一个低电平，是如何一步步演化成完整的通信协议（以 USART 为例）的？ 并进一步讲解：底层寄存器操作是如何实现的？库函数又是如何封装这些寄存器操作的？

这是一场从 “电子” 到 “协议” 再到 “代码” 的完整旅程，涵盖物理层、数据链路层、硬件外设、寄存器编程、库函数封装、中断机制等，力求深入、系统、透彻。

一：从 “0” 和 “1” 说起 —— 物理层的电平信号

1.1 什么是高电平和低电平？

在数字电路中，电压被抽象为两种状态：

• 低电平（Low）：通常接近 0V，代表逻辑 “0”。
• 高电平（High）：通常接近电源电压（如 3.3V 或 5V），代表逻辑 “1”。

注意：实际电压值有容差范围。例如在 3.3V 系统中，0~0.8V 为低电平，2.0~3.3V 为高电平。

这些电平通过导线在两个设备之间传输。但单个电平本身没有意义，它只是一个状态。要传输信息，必须赋予它时间维度和结构化规则。

二：从电平到比特流 —— 串行通信的诞生

2.1 为什么要串行通信？

并行通信：用多根线同时传输多个比特（如 8 根线传 1 字节），速度快，但线多、成本高、抗干扰差。

串行通信：用一根线逐位传输比特，线少、成本低、适合长距离，但速度慢。

USART 是典型的异步串行通信，即发送方和接收方没有共享的时钟线，靠 “约定” 来同步。

2.2 如何让接收方知道 “什么时候开始接收”？

这是异步通信的核心难题：没有时钟线，如何同步？

解决方案：加入起始位和停止位，形成 “帧结构”。

帧格式（Frame Format）

一个典型的 USART 数据帧如下：

[ 起始位 ] [ 数据位（8位） ] [ 奇偶校验位（可选） ] [ 停止位 ]
     1          8                  0 或 1               1 或 2
   低电平     LSB → MSB             奇/偶校验            高电平

• 空闲状态：线路保持高电平（逻辑 1）。
• 起始位：发送方拉低电平，持续 1 个比特时间（T_bit）。接收方检测到从高到低的跳变，就知道 “数据要来了”。
• 数据位：随后发送 8 个比特（LSB 在前），每个持续 T_bit。
• 奇偶校验位：可选，用于简单错误检测。
• 停止位：发送方拉高电平，持续 1 或 2 个 T_bit，恢复空闲状态。

举例：发送字符 'A'（ASCII 码 0x41 = 0b01000001）

二进制： 1 0 0 0 0 0 1 0 （注意 LSB 在前，所以是 1,0,0,0,0,0,1,0）

完整帧（8N1：8 数据位，无校验，1 停止位）：

[低] [1][0][0][0][0][0][1][0] [高]
 起     数据位（8位）       停止

2.3 时间同步：波特率（Baud Rate）

接收方如何知道每个比特持续多长时间？

答案：双方事先约定 “波特率”（Baud Rate），即每秒传输的比特数。

• 波特率 9600：每秒 9600 比特 → 每个比特持续时间 T_bit = 1 / 9600 ≈ 104.17 μs。
• 接收方内部有一个时钟，以 16 倍波特率的频率采样（即每 T_bit 采样 16 次），用于精确定位起始位跳变和后续比特中心。

为什么是 16 倍？这是为了抗干扰和时钟漂移。通过多次采样判断电平，提高可靠性。

三：硬件实现 —— STM32 的 USART 外设

STM32 内部有一个专用的硬件模块：USART 外设，它由多个寄存器控制，自动处理电平到数据的转换。

3.1 USART 主要寄存器（以 STM32F103 为例）

寄存器	作用
USART_SR	状态寄存器（Status Register）
USART_DR	数据寄存器（Data Register）
USART_BRR	波特率寄存器（Baud Rate Register）
USART_CR1/CR2/CR3	控制寄存器（Control Register）

3.2 发送过程（硬件自动完成）

1. CPU 写数据：将要发送的字节写入 USART_DR 。
2. 硬件编码：USART 自动添加起始位、停止位，形成串行比特流。
3. 移位输出：通过 TX 引脚，按波特率逐位输出（从 LSB 开始）。
4. 状态更新：发送完成后， USART_SR 中的 TXE （Transmit Data Register Empty）标志置 1。

3.3 接收过程（硬件自动完成）

1. 检测起始位：USART 持续监测 RX 引脚。当检测到从高到低的跳变，并持续约 0.5 T_bit，确认起始位。
2. 同步采样：在起始位中心后，每隔 T_bit 采样一次数据位（通常在第 8 次采样点，即 16 倍频的中间）。
3. 组装数据：将 8 个采样位组装成一个字节。
4. 写入 DR：将接收到的字节放入 USART_DR 。
5. 状态更新： USART_SR 中的 RXNE （Read Data Register Not Empty）标志置 1。

四：从寄存器到 C 代码 —— 底层库函数的实现

我们以 STM32 标准外设库（StdPeriph Lib）或 HAL 库的风格，手写底层函数。

4.1 寄存器映射（C 语言视角）

STM32 的寄存器被映射到内存地址。C 语言通过结构体访问：

// 定义 USART1 寄存器结构
typedef struct {
    volatile uint32_t SR;  // Status Register
    volatile uint32_t DR;  // Data Register
    volatile uint32_t BRR; // Baud Rate Register
    volatile uint32_t CR1; // Control Register 1
    volatile uint32_t CR2; // Control Register 2
    volatile uint32_t CR3; // Control Register 3
    volatile uint32_t GTPR; // Guard Time and Prescaler Register
} USART_TypeDef;

// 指向 USART1 基地址
#define USART1 ((USART_TypeDef*)0x40013800)

4.2 波特率计算与设置

波特率由 BRR 寄存器决定：

// 计算 BRR 值
// BRR = f_PCLK / (16 * baudrate)
// 如果有小数部分，需拆分到 DIV_Mantissa 和 DIV_Fraction
void USART_SetBaudRate(USART_TypeDef* USARTx, uint32_t baudrate) {
    uint32_t pclk = 72000000; // 假设 APB2 时钟为 72MHz
    uint32_t divisor = (pclk + 8 * baudrate) / (16 * baudrate); // 四舍五入
    USARTx->BRR = divisor;
}

4.3 发送一个字节（轮询方式）

void USART_SendByte(USART_TypeDef* USARTx, uint8_t data) {
    // 等待发送数据寄存器空（TXE=1）
    while (!(USARTx->SR & (1 << 7))); // TXE 位在 SR 的 bit7
    
    // 将数据写入 DR，硬件自动开始发送
    USARTx->DR = data;
}

关键点：CPU 写 DR 后，硬件接管，自动串行化并输出。

4.4 接收一个字节（轮询方式）

uint8_t USART_ReceiveByte(USART_TypeDef* USARTx) {
    // 等待接收数据寄存器非空（RXNE=1）
    while (!(USARTx->SR & (1 << 5))); // RXNE 位在 SR 的 bit5
    
    // 从 DR 读取数据
    return (uint8_t)(USARTx->DR);
}

关键点：读 DR 会自动清除 RXNE 标志。

4.5 使能 USART

void USART_Enable(USART_TypeDef* USARTx) {
    USARTx->CR1 |= (1 << 13); // UE: USART Enable
}

4.6 使能发送 / 接收

void USART_EnableTxRx(USART_TypeDef* USARTx) {
    USARTx->CR1 |= (1 << 3) | (1 << 2); // TE: Transmit Enable, RE: Receive Enable
}

五：中断机制 —— 让通信更高效

轮询方式浪费 CPU。更高效的方式是使用中断。

5.1 配置接收中断

void USART_EnableRxInterrupt(USART_TypeDef* USARTx) {
    USARTx->CR1 |= (1 << 5); // RXNEIE: RX Interrupt Enable
}

5.2 编写中断服务程序（ISR）

// 假设是 USART1 的中断
void USART1_IRQHandler(void) {
    if (USART1->SR & (1 << 5)) { // RXNE 标志
        uint8_t received_data = (uint8_t)(USART1->DR); // 读 DR 清除标志
        
        // 处理接收到的数据
        // 例如：存入缓冲区、解析协议等
        process_received_byte(received_data);
    }
    
    if (USART1->SR & (1 << 7)) { // TXE 标志
        // 发送缓冲区还有数据？继续发送
        if (tx_buffer_has_data()) {
            USART1->DR = get_next_tx_byte();
        } else {
            // 发送完成，可以关闭 TXE 中断
            USART1->CR1 &= ~(1 << 7);
        }
    }
}

优势：CPU 不再等待，可以执行其他任务，事件驱动。

六：从比特流到协议 —— 封装应用层

USART 只负责传输原始字节流。要实现有意义的通信，需要上层协议。

6.1 简单帧协议设计

例如，定义一个简单协议：

[ 帧头 0xAA ] [ 命令 1字节 ] [ 数据长度 1字节 ] [ 数据 N 字节 ] [ 校验和 1字节 ]

6.2 协议解析（状态机）

typedef enum {
    WAIT_HEADER,
    WAIT_CMD,
    WAIT_LEN,
    WAIT_DATA,
    WAIT_CHECKSUM
} ParseState;

ParseState state = WAIT_HEADER;
uint8_t cmd, len, data[255], checksum;
int data_index = 0;
void process_received_byte(uint8_t byte) {
    switch (state) {
        case WAIT_HEADER:
            if (byte == 0xAA) state = WAIT_CMD;
            break;
        case WAIT_CMD:
            cmd = byte;
            state = WAIT_LEN;
            break;
        case WAIT_LEN:
            len = byte;
            data_index = 0;
            if (len == 0) {
                state = WAIT_CHECKSUM;
            } else {
                state = WAIT_DATA;
            }
            break;
        case WAIT_DATA:
            data[data_index++] = byte;
            if (data_index >= len) {
                state = WAIT_CHECKSUM;
            }
            break;
        case WAIT_CHECKSUM:
            checksum = byte;
            // 验证校验和
            if (verify_checksum(cmd, len, data, checksum)) {
                handle_command(cmd, len, data);
            }
            state = WAIT_HEADER; // 重置
            break;
    }
}

第七章：高级话题

7.1 DMA（直接内存访问）

对于高速、大数据量传输，使用 DMA 可以让数据直接在内存和 USART 之间搬运，无需 CPU 干预。

7.2 硬件流控（RTS/CTS）

当接收方处理不过来时，可通过 CTS 信号通知发送方暂停发送，避免数据丢失。

7.3 多处理器通信

USART 支持地址位检测，可用于多设备总线通信。

7.4 错误处理

USART 可检测：

• 帧错误（Framing Error）：停止位不是高电平
• 噪声错误（Noise Error）：采样时检测到噪声
• 溢出错误（Overrun Error）：新数据到来时 DR 未读

这些错误在 SR 寄存器中有对应标志位。

总结：从电平到协议的完整链条

层级	内容
物理层	高 / 低电平在导线上传输
数据链路层	起始位、停止位、波特率、奇偶校验 → 构成比特流
硬件层	USART 外设自动完成串并转换、采样、同步
寄存器层	通过读写 SR、DR、BRR、CRx 等寄存器控制硬件
驱动层	C 函数封装寄存器操作（如 USART_SendByte）
中断层	使用中断实现事件驱动通信
协议层	定义帧结构、命令、校验，实现有意义的数据交换

结语

一个高电平和一个低电平，看似简单，但在时间维度和结构化规则的加持下，演变为可靠的串行通信。STM32 的 USART 外设是这一过程的 “自动化引擎”，而寄存器编程则是我们与硬件对话的 “母语”。理解从电平到协议的每一层，是掌握嵌入式通信的基石。

这不仅是技术细节的堆砌，更是工程智慧的体现：用简单的规则，构建复杂而可靠的信息桥梁。