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1.引入

1.1 通信接口

通信的目的：将一个设备的数据传送到另一个设备，扩展硬件系统

通信协议：制定通信的规则，通信双方按照协议规则进行数据收发

名称	引脚	双工	时钟	电平	设备
USART	TX、RX	全双工	异步	单端	点对点
I2C	SCL、SDA	半双工	同步	单端	多设备
SPI	SCLK、MOSI、MISO、CS	全双工	同步	单端	多设备
CAN	CAN_H、CAN_L	半双工	异步	差分	多设备
USB	DP、DM	半双工	异步	差分	点对点

1.2 串口

具体一点的内容看嵌入式驱动开发中的UART子系统对串口的硬件简介。

串口是一种应用十分广泛的通讯接口，串口成本低、容易使用、通信线路简单，可实现两个设备的互相通信

单片机的串口可以使单片机与单片机、单片机与电脑、单片机与各式各样的模块互相通信，极大地扩展了单片机的应用范围，增强了单片机系统的硬件实力

上图左边是USB转串口模块，中间是陀螺仪传感器模块（左边的是接串口、右边的引脚接I2C），右边是蓝牙串口模块

数据低位先行

简单双向串口通信有两根通信线（发送端TX和接收端RX）
TX与RX要交叉连接
当只需单向的数据传输时，可以只接一根通信线
当电平标准不一致时，需要加电平转换芯片

电平标准是数据1和数据0的表达方式，是传输线缆中人为规定的电压与数据的对应关系，串口常用的电平标准有如下三种：

TTL电平：+3.3V或+5V表示1，0V表示0
RS232电平：-3_{-15V表示1，+3}+15V表示0
RS485电平：两线压差+2_{+6V表示1，-2}-6V表示0（差分信号）

串口参数及时序：

波特率：串口通信的速率，每秒传送的码元个数（二进制调制下就等同于每秒传递的比特数）
起始位：标志一个数据帧的开始，固定为低电平
数据位：数据帧的有效载荷，1为高电平，0为低电平，低位先行
校验位：用于数据验证，根据数据位计算得来
停止位：用于数据帧间隔，固定为高电平

串口时序：

2.USART

对应芯片参考手册的USART部分

2.1 简介

USART（Universal Synchronous/Asynchronous Receiver/Transmitter）通用同步/异步收发器

USART是STM32内部集成的硬件外设，可根据数据寄存器的一个字节数据自动生成数据帧时序，从TX引脚发送出去，也可自动接收RX引脚的数据帧时序，拼接为一个字节数据，存放在数据寄存器里

自带波特率发生器，最高达4.5Mbits/s。其实就是个分频器，波特率发生器对时钟进行一个分频，就能得到想要的波特率时钟，在该时钟下进行收发，就是指定的通信波特率。

可配置数据位长度（8/9）、停止位长度（0.5/1/1.5/2）

可选校验位（无校验/奇校验/偶校验）

支持同步模式、硬件流控制、DMA、智能卡、IrDA、LIN

STM32F103C8T6 USART资源： USART1（APB2总线上的）、 USART2（APB1总线上的）、 USART3（APB1总线上的）

2.2 框图

来自参考手册

1. 数据接口模块

TX/RX：分别为串行数据发送和接收引脚，是USART的主要外部接口，用于与外部设备通信。
nRTS/nCTS：硬件流控引脚，分别表示请求发送(Request to Send)和清除发送(Clear to Send)信号。如果发送数据发送的太快，接收方来不及接收，就会发生数据丢失或覆盖的情况，为解决这种情况就靠这两根引脚。nRTS：你能不能发数据给我（接对方的nCTS）；nCTS：我能不能发数据给你（接对方的nRTS）
IrDA模块：支持红外通信的编码和解码模块，可通过配置CR3寄存器启用。

2. 发送器部分

发送数据寄存器 (TDR)

用于存储需要发送的数据，写操作通过CPU或DMA完成。
数据从TDR被传输至发送移位寄存器，开始按位输出到TX引脚。

发送移位寄存器

数据从TDR进入移位寄存器，并以配置的波特率逐位发送。
发送时序由USART_BRR寄存器提供的分频时钟控制。

发送控制逻辑

控制寄存器CR1中的TE位：使能发送功能。
状态寄存器 (SR)中的TXE中断：当TDR为空时触发，提示CPU或DMA准备下一个数据。

3. 接收器部分

接收移位寄存器

从RX引脚按位接收数据，并将其组合成完整的数据字节。
数据组合完成后传递到接收数据寄存器 (RDR)。

接收数据寄存器 (RDR)

接收的数据存储在RDR中，可通过CPU读取。
数据从RDR读取后，触发RXNE中断，提示CPU完成一次数据接收。

接收控制逻辑

控制寄存器CR1中的RE位：使能接收功能。
状态寄存器 (SR)中的RXNE标志：指示RDR中有新数据可供读取。

4. 控制逻辑模块

中断控制

中断源 (CR1, CR2, CR3)：
- CR1中的TXEIE、RXNEIE等控制发送和接收中断。
- CR2控制错误中断，如帧错误和过载错误。
- CR3用于流控中断，如CTS中断。
状态寄存器 (SR)：
- 包括多种标志位，如TXE（发送数据寄存器空）、RXNE（接收数据寄存器非空）和PE（奇偶校验错误）。

5. 时钟生成模块

USART_BRR寄存器

波特率寄存器，用于配置发送和接收的波特率。
波特率计算公式：
其中，DIV_Mantissa表示整数部分，DIV_Fraction表示小数部分。
波特率由系统时钟提供，并通过分频器（/16）生成。

6. 模式配置模块

CR1、CR2、CR3寄存器

CR1：基本功能配置，例如使能USART、发送、接收等。
CR2：帧格式设置（停止位长度、时钟使能）。
CR3：高级功能，例如DMA支持、流控和红外功能。

7. DMA支持

支持通过DMA直接操作TDR和RDR寄存器，减轻CPU负担。
DMA触发器：根据TXE（发送）和RXNE（接收）状态，触发DMA完成数据传输。

8. 数据传递路径

发送路径：

- CPU/DMA将数据写入TDR。
- 数据进入发送移位寄存器。
- 移位寄存器按照波特率逐位发送到TX引脚。

接收路径：

- RX引脚接收到串行数据。
- 数据进入接收移位寄存器，组合成数据字节。
- 数据传递至RDR，等待CPU读取。

2.3 基本机构图

注意：无论是发送还是接收，数据都是低位先行。

2.4 数据帧

字长设置：

在时钟的上升沿进行数据的读取。对于9位字长，一般第9位会选择为校验位，毕竟前面8位刚好就是1字节，uint8。同理对于8位字长的数据，一般最后一位不选择为校验位。

停止位配置：

stm32的停止位可以配置停止位长度为0.5、1、1.5、2，就是停止位是时长不同。

起始位侦测采样：

对于输入的数据，要对其进行采用，最后就时钟的上升沿采用的时候刚好对于数据位的正中间，防止因为一些噪声等导致数据位有波形，造成采洋不准。

而为了实现这部分的功能，输入的这部分电路对采样时钟进行了细分，会以波特率的16倍频率进行采样（即在一位的时间里可以对一位的数据进行16次采样）。

而上图就是对起始位进行16次的采样，出现下降沿时，采样采到0，而后面还会继续采样，防止下降沿是因为某些抖动而导致的，并不是代表起始位。当在每3次采样里至少有2个0，就代表这个位确实是起始位。

数据采样：

这部分就是前面提到的，为了保证数据的正确，尽量在数据位的中间对该为数据进行采样。

2.5 波特率发生器

发送器和接收器的波特率由波特率寄存器BRR里的DIV确定

计算公式：波特率 = fPCLK2/1 / (16 * DIV)

为什么还要除以16？？？上面讲解数据采样的时候有说过，一位数据的采样次数是16次，也就是16个时钟的时间。因此 fPCLK2/1 /DIV取到的波特率还得除以16，才是实际上每秒传输码元的个数。

就当成时钟频率去理解就行，1位数据需要16个时钟，DIV分频后的时钟频率还得再去除以16，做到和每一位的数据相对应。

2.6 数据包

把多个字节（数据帧）给打包一起发送

2.6.1 数据模式

HEX模式/十六进制模式/二进制模式：以原始数据的形式显示

文本模式/字符模式：以原始数据编码后的形式显示

2.6.2 HEX数据包

这种为了避免载荷数据和包头包尾出现数据重复的现象，可以使用载荷数据限制大小、载荷数据限制长度和增加包头包尾的数量来解决。

至于可变包长，更适合载荷数据不会和包头包尾数据重复的情况下使用。

2.6.3 文本数据包

2.6.4 HEX数据包接收

2.6.5 文本数据包接收

3.结构体和相关API

3.1 结构体

typedef struct
{
  uint32_t USART_BaudRate;            /*!< This member configures the USART communication baud rate.
                                           The baud rate is computed using the following formula:
                                            - IntegerDivider = ((PCLKx) / (16 * (USART_InitStruct->USART_BaudRate)))
                                            - FractionalDivider = ((IntegerDivider - ((u32) IntegerDivider)) * 16) + 0.5 */

  uint16_t USART_WordLength;          /*!< Specifies the number of data bits transmitted or received in a frame.
                                           This parameter can be a value of @ref USART_Word_Length */

  uint16_t USART_StopBits;            /*!< Specifies the number of stop bits transmitted.
                                           This parameter can be a value of @ref USART_Stop_Bits */

  uint16_t USART_Parity;              /*!< Specifies the parity mode.
                                           This parameter can be a value of @ref USART_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). */
 
  uint16_t USART_Mode;                /*!< Specifies wether the Receive or Transmit mode is enabled or disabled.
                                           This parameter can be a value of @ref USART_Mode */

  uint16_t USART_HardwareFlowControl; /*!< Specifies wether the hardware flow control mode is enabled
                                           or disabled.
                                           This parameter can be a value of @ref USART_Hardware_Flow_Control */
} USART_InitTypeDef;

\1. USART_BaudRate

作用：配置USART通信的波特率（每秒比特传输速率）。
计算公式：
- PCLKx 是外设时钟频率。
- BaudRate 是配置的波特率。
- 波特率寄存器 USART_BRR 的整数部分由 USARTDIV 的整数值构成，小数部分由其余值通过四舍五入计算得出。
取值范围：常用波特率值（如 9600, 19200, 38400, 115200 等）。实际取值需确保 PCLKx 能支持目标波特率。

\2. USART_WordLength

作用：指定每帧传输或接收的数据位数（包括有效数据位和可选的校验位）。
可取值：
- USART_WordLength_8b：8位数据帧（默认）。
- USART_WordLength_9b：9位数据帧（通常用于特殊协议或需要扩展数据位时）。
注意：
- 如果使用奇偶校验，帧中最高位（第8或第9位）被用作校验位。

\3. USART_StopBits

作用：设置每帧发送结束时的停止位数，用于标识帧结束。
可取值：
- USART_StopBits_1：1个停止位（默认）。
- USART_StopBits_0.5：0.5个停止位。
- USART_StopBits_2：2个停止位（用于慢速通信或特定协议）。
- USART_StopBits_1.5：1.5个停止位（特定场景）。
注意：停止位设置需与接收设备保持一致。

\4. USART_Parity

作用：配置是否启用奇偶校验以及校验模式（奇校验或偶校验）。
可取值：
- USART_Parity_No：无校验（默认）。
- USART_Parity_Even：偶校验。
- USART_Parity_Odd：奇校验。
注意：
- 启用校验后，帧中最高有效位会被占用，用于传输校验位。
- 校验位由硬件自动生成，无需用户干预。

\5. USART_Mode

作用：指定USART的工作模式（发送、接收或两者均启用）。
可取值：
- USART_Mode_Rx：仅接收模式。
- USART_Mode_Tx：仅发送模式。
- USART_Mode_Tx_Rx：同时启用发送和接收模式。
典型应用：
- 仅接收模式常用于传感器数据读取。
- 同时启用发送和接收模式适用于双向通信（如UART调试、RS232通信等）。

\6. USART_HardwareFlowControl

作用：设置硬件流控制模式，用于控制数据流的启停（基于RTS和CTS信号）。
可取值：
- USART_HardwareFlowControl_None：无硬件流控（默认）。
- USART_HardwareFlowControl_RTS：仅启用RTS流控（发送设备请求发送时使能）。
- USART_HardwareFlowControl_CTS：仅启用CTS流控（接收设备允许发送时使能）。
- USART_HardwareFlowControl_RTS_CTS：同时启用RTS和CTS流控。
注意：硬件流控适用于需要精确控制数据流的场景，如避免数据溢出或丢失。

3.2 API

3.2.1 初始化相关函数

`void USART_DeInit(USART_TypeDef* USARTx)`

作用：将指定USART外设的寄存器恢复为默认复位值。
使用场景：在重新配置USART外设之前使用，确保状态清零。
示例：

USART_DeInit(USART1); // 将USART1寄存器重置为默认值

`void USART_Init(USART_TypeDef* USARTx, USART_InitTypeDef* USART_InitStruct)`

作用：根据USART_InitTypeDef结构配置USART的波特率、数据位、停止位、校验、工作模式和硬件流控。
使用场景：初始化USART通信。
示例：

USART_InitTypeDef USART_InitStructure;
USART_InitStructure.USART_BaudRate = 9600;
USART_InitStructure.USART_WordLength = USART_WordLength_8b;
USART_InitStructure.USART_StopBits = USART_StopBits_1;
USART_InitStructure.USART_Parity = USART_Parity_No;
USART_InitStructure.USART_Mode = USART_Mode_Tx_Rx;
USART_InitStructure.USART_HardwareFlowControl = USART_HardwareFlowControl_None;

USART_Init(USART1, &USART_InitStructure);

`void USART_StructInit(USART_InitTypeDef* USART_InitStruct)`

作用：将USART_InitTypeDef结构初始化为默认值。
默认值：
- 波特率为9600。
- 8位数据帧。
- 1个停止位。
- 无校验。
- 收发模式均启用。
- 无硬件流控。
示例：

USART_InitTypeDef USART_InitStructure;
USART_StructInit(&USART_InitStructure); // 初始化为默认值
USART_Init(USART1, &USART_InitStructure);

3.2.2 时钟相关函数

`void USART_ClockInit(USART_TypeDef* USARTx, USART_ClockInitTypeDef* USART_ClockInitStruct)`

作用：配置USART同步模式下的时钟设置（如极性、相位等）。
使用场景：仅在同步模式下（如SPI通信）配置时钟信号。
示例：

USART_ClockInitTypeDef USART_ClockInitStructure;
USART_ClockInitStructure.USART_Clock = USART_Clock_Enable;
USART_ClockInitStructure.USART_CPOL = USART_CPOL_Low;
USART_ClockInitStructure.USART_CPHA = USART_CPHA_1Edge;
USART_ClockInitStructure.USART_LastBit = USART_LastBit_Enable;

USART_ClockInit(USART1, &USART_ClockInitStructure);

`void USART_ClockStructInit(USART_ClockInitTypeDef* USART_ClockInitStruct)`

作用：将USART_ClockInitTypeDef结构初始化为默认值（同步模式时钟禁用）。
示例：

USART_ClockInitTypeDef USART_ClockInitStructure;
USART_ClockStructInit(&USART_ClockInitStructure);
USART_ClockInit(USART1, &USART_ClockInitStructure);

3.2.3 控制相关函数

`void USART_Cmd(USART_TypeDef* USARTx, FunctionalState NewState)`

作用：使能或禁用USART外设。
示例：

USART_Cmd(USART1, ENABLE); // 启用USART1

`void USART_ITConfig(USART_TypeDef* USARTx, uint16_t USART_IT, FunctionalState NewState)`

作用：配置指定的USART中断。
中断类型：
- USART_IT_TXE：发送数据寄存器空中断。
- USART_IT_RXNE：接收数据寄存器非空中断。
- USART_IT_PE：奇偶校验错误中断。
示例：

USART_ITConfig(USART1, USART_IT_RXNE, ENABLE); // 启用接收非空中断

`void USART_DMACmd(USART_TypeDef* USARTx, uint16_t USART_DMAReq, FunctionalState NewState)`

作用：使能或禁用USART的DMA请求。
参数：
- USART_DMAReq_Tx：发送数据DMA请求。
- USART_DMAReq_Rx：接收数据DMA请求。
示例：

USART_DMACmd(USART1, USART_DMAReq_Tx, ENABLE); // 启用发送DMA

3.2.4 数据收发函数

`void USART_SendData(USART_TypeDef* USARTx, uint16_t Data)`

作用：发送一个数据帧。
示例：

USART_SendData(USART1, 'A'); // 发送字符 'A'
while (USART_GetFlagStatus(USART1, USART_FLAG_TXE) == RESET); // 等待发送完成

`uint16_t USART_ReceiveData(USART_TypeDef* USARTx)`

作用：接收一个数据帧。
示例：

if (USART_GetFlagStatus(USART1, USART_FLAG_RXNE) == SET) {
    uint16_t data = USART_ReceiveData(USART1); // 接收数据
}

3.2.5 状态和中断相关函数

`FlagStatus USART_GetFlagStatus(USART_TypeDef* USARTx, uint16_t USART_FLAG)`

作用：获取指定的USART标志状态。
常见标志：
- USART_FLAG_TXE：发送数据寄存器空标志。
- USART_FLAG_RXNE：接收数据寄存器非空标志。
- USART_FLAG_ORE：溢出错误标志。
示例：

if (USART_GetFlagStatus(USART1, USART_FLAG_RXNE) == SET) {
    // 接收到数据
}

`void USART_ClearFlag(USART_TypeDef* USARTx, uint16_t USART_FLAG)`

作用：清除指定标志位（如溢出错误等）。
示例：

USART_ClearFlag(USART1, USART_FLAG_ORE); // 清除溢出错误标志

`ITStatus USART_GetITStatus(USART_TypeDef* USARTx, uint16_t USART_IT)`

作用：检查指定中断是否发生。
示例：

if (USART_GetITStatus(USART1, USART_IT_RXNE) == SET) {
    // 接收非空中断发生
}

`void USART_ClearITPendingBit(USART_TypeDef* USARTx, uint16_t USART_IT)`

作用：清除中断挂起标志。
示例：

USART_ClearITPendingBit(USART1, USART_IT_RXNE); // 清除接收非空中断挂起标志

4.实验

CH340 USB转串口的原理图

4.1 串口发送

📎9-1 串口发送.zip

User：

📎main.c

Hardware：

📎OLED.c 📎OLED.h 📎OLED_Font.h 📎Serial.c 📎Serial.h

其中对于发送数据，仍然要注意的是低位数据开始传送！！！！这里是数据帧字长为8，从低位开始传输，这个其实也不用太在意，因为调用提供的USART_SendData函数的时候内部已经帮我们做好了。

但是当我们要传输数字的时候，需要注意将其每一位数都给拆开然后再挨个传输出去。比如你要发送21（十进制），那么就要先十位的2，在发送个位的1，就是要把每一位数都给转换成一个数据帧，在这里也就是uint8_t：

/**
  * 函    数：串口发送一个字节
  * 参    数：Byte 要发送的一个字节
  * 返 回 值：无
  */
void Serial_SendByte(uint8_t Byte)
{
	USART_SendData(USART1, Byte);		//将字节数据写入数据寄存器，写入后USART自动生成时序波形
	while (USART_GetFlagStatus(USART1, USART_FLAG_TXE) == RESET);	//等待发送完成
	/*下次写入数据寄存器会自动清除发送完成标志位，故此循环后，无需清除标志位*/
}

/**
  * 函    数：次方函数（内部使用）
  * 返 回 值：返回值等于X的Y次方
  */
uint32_t Serial_Pow(uint32_t X, uint32_t Y)
{
	uint32_t Result = 1;	//设置结果初值为1
	while (Y --)			//执行Y次
	{
		Result *= X;		//将X累乘到结果
	}
	return Result;
}

/**
  * 函    数：串口发送数字
  * 参    数：Number 要发送的数字，范围：0~4294967295
  * 参    数：Length 要发送数字的长度，范围：0~10
  * 返 回 值：无
  */
void Serial_SendNumber(uint32_t Number, uint8_t Length)
{
	uint8_t i;
	for (i = 0; i < Length; i ++)		//根据数字长度遍历数字的每一位
	{
		Serial_SendByte(Number / Serial_Pow(10, Length - i - 1) % 10 + '0');	//依次调用Serial_SendByte发送每位数字
	}
}

假设咱们调用了Serial_SendNumber(123,3);123是要传输的十进制的数（uinit32_t），得将每一位都给拆开成一个数据帧，也就是uint8_t a = 1、uint8_t b= 2、uint8_t c= 3，将a、b、c挨个传输。 逐位拆解数字并以 ASCII 码的形式发送。

这时候就可以采用取余的方式获取到低位。参2就是传这个数字的位数，这里是3。

通过调用Serial_Pow函数去对数字的不相关的位数进行去除，比如第一次for时，Serial_Pow传的参2是2，最后返回是100，123/100会得到1（注意是int的形式！！），1%10就可以知道百位数就是1了。其余的位数也是同理。

调用 Serial_SendNumber(123, 3) 的具体过程：

第1次循环（i=0）：
- Serial_Pow(10, 3-0-1) = Serial_Pow(10, 2) = 100。
- 123 / 100 = 1，1 % 10 = 1，对应字符 '1'。
- 发送 '1'。
第2次循环（i=1）：
- Serial_Pow(10, 3-1-1) = Serial_Pow(10, 1) = 10。
- 123 / 10 = 12，12 % 10 = 2，对应字符 '2'。
- 发送 '2'。
第3次循环（i=2）：
- Serial_Pow(10, 3-2-1) = Serial_Pow(10, 0) = 1。
- 123 / 1 = 123，123 % 10 = 3，对应字符 '3'。
- 发送 '3'。