STM32——USART

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通信
1.1通信是什么；
通信是将一个设备的数据发送到另一个设备中，从而实现硬件的扩展；

1.2通信的目的是什么；
实现硬件的扩展-在STM32中集成了很多功能，例如PWM输出，AD采集，定时器等，在STM32中是通过内部硬件电路实现的，可以通过指针操作相应的寄存器，来控制硬件电路，通过读来获取电路状态，通过写来操控电路；而有一些功能是STM32内没有集成的例如蓝牙无线遥控，陀螺仪测姿态等，此时需要外挂模块，来实现这些功能，而这些功能的数据是保存在外挂模块的寄存器中的，STM32想要获取这些数据来控制外挂模块就需要与该设备进行通信，通过读写外挂模块相应的寄存器，实现对外挂模块的控制，从而达到硬件扩展的功能；

1.3设备间如何进行通信
通过在设备间连接一根或者多根通信线，实现数据的接收和数据的发送，从而达到主控模块控制外挂模块的功能；

1.4通信协议是什么；
通信协议是指通信双方规定的通信规则，双方按照协议进行数据的收发；

1.5有哪些通信协议；
主要的通信方式：串口通信（USART）,I2C,SPI,CAN,USB通信；

1.6通信协议有哪些模式；
通信方式的特点主要由以下几种模式决定：双工模式，时钟模式，电平模式，设备模式；

1.7通信特性具体是什么；
1.7.1双工模式：
双工模式分为全双工，半双工，单工；

全双工：通信双方可以同时接收或者发送数据，一般有两根通信线，接收线路和发送线路互不干扰，全双工；

半双工：通信双方在指定时间，只能接收或者只能发送，一根通信线，半双工；

单工：数据只能由一个设备发送另一个设备接收，一根通信线（全双工撤去一根通信线可转换为单工）；

1.7.2时钟模式
同步时钟：通信双方在时钟线的时钟脉冲驱动下，进行数据的收发；

异步时钟：通信双方没有时钟线，需要双方约定传输频率（波特率），根据传输频率来接收数据；

*波特率和比特率

波特率：单位时间内接收的码元个数，单位是码元/s，也称波特；在通信系统中，二进制的一位称为码元或者符号；波特率是指单位时间内传送二进制数据的位数，单位用bps(位/秒)表示，记作波特。

比特率：单位时间内接收的比特的个数，单位是bit/s，比特率来衡量异步串行通信的数据传输速率，即单位时间内传送二进制有效数据的位数，单位用bps表示。

在二进制下波特和比特是相同的，多进制下是不同的；

1.7.3电平模式
单端信号：通信线上的电平是对GND的电平，所以通信设备需要共地；

差分信号：俩根传输线上的电位差，差分信号具有很强的抗干扰性，所以差分信号一般可以传输很远的距离；

1.7.4设备模式
点对点设备：

多设备；

多设备分为一主多从模式和多主多从模式；

一主多从模式：指的是有一个主机，多个从机，主机对总线的时钟线有绝对的控制权，从机在任何时候都只能接收，不能发送；主机在数据线空闲时候，可以调用，从机只能在接收或者发送数据的时候才可以短暂的控制；

多主多从模式

一根总线上挂载了多个设备，这些设备既可以作为从机又可以作为主机；

又分为：固定多主机模式和可变多主机模式；

固定多主机模式：主机的数量是固定的，每个主机都可以掌握总线的控制权，当多个主机同时申请总线控制权时，总线进行仲裁，失败的让出总线控制权；

可变多主机模式：每一个挂载在总线的设备都可以作为主机，当需要作为主机与其他设备进行通信时，申请总线控制权，对从机设备进行寻址即可，通信完成后，让出总线控制权，变回从机；当多个主机同时申请总线控制权时，总线进行仲裁，失败的让出总线控制权；

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1.8总结：

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二、USART串口通信协议
2.1串口通信介绍：
串口是一种应用十分广泛的通讯接口，串口按位bit发送和接收字节，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；

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2.2串行通信和并行通信
1.通讯可分为串行通讯与并行通讯，串行通讯是指设备之间通过少量数据信号线(一般是 8 根以下)，地线以及控制信号线，按数据位形式一位一位地传输数据的通讯方式。而并行通讯一般是指使用 8、16、32 及 64 根或更多的数据线进行传输的通讯方式，它们的通讯传输对比说明见下图：

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很明显，因为一次可传输多个数据位的数据，在数据传输速率相同的情况下，并行通讯传输的数据量要大得多，而串行通讯则可以节省数据线的硬件成本(特别是远距离时)以及 PCB 的布线面积，串行通讯与并行通讯的特性对比见下表：

不过由于并行传输对同步要求较高，且随着通讯速率的提高，信号干扰的问题会显著影响通讯性能，现在随着技术的发展，越来越多的应用场合采用高速率的串行差分传输。

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2.3UART协议
UART全称是通用异步收发传输器（Universal Asynchronous Receiver/Transmitter)，它通常称作UART，是一种异步收发传输器,是设备间进行异步通信的关键模块。UART负责处理数据总线和串行口之间的串并转换，并规定了帧格式；通信双方只要采用相同的帧格式和波特率，就能在未共享时钟信号的情况下，仅用两根信号线（RX 和TX）就可以完成通信过程，因此也称为异步串行通信。

对于通讯协议，我们也以分层的方式来理解，最基本的是把它分为物理层（硬件规定）和协议层（软件规定）。物理层规定通讯系统中具有机械、电子功能部分的特性，确保原始数据在物理媒体的传输。协议层主要规定通讯逻辑，统一收发双方的数据打包、解包标准。

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2.4USART串口硬件规定:
简单的双向串口通信需要两个通信线（TX数据发送端，RX数据接收端）

TX 数据发送引脚

RX 数据接受引脚

TX和RX需要交叉连接（一个设备的TX连接在另外一个设备的RX）；

GND是单端信号，即所有的电平信号是相对于GND的，所以需要共地；

VCC当从设备没有单独供电时，需要接VCC；

当只需要单向数据传输时，可以只接一个通信线；

当电平标准不一样的时候需要接电平转换芯片；

全双工模式，发送端设置为复用推挽输出，接收端设置为浮空输入或上拉输入；

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2.5USART的软件规定
2.3.1时序组成：
串口的参数：起始位，停止位，校验位，数据位，波特率；

波特率，单位时间接收二进制的位数，单位是bsp/s（位/s）；

起始位：标志一个数据帧的开始，固定为低电平；

停止位: 用于数据帧的间隔，固定为高电平；

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;

串口的时序:

1位起始位+8位有效数据位+1位停止位=1帧（10位）；

1位起始位+8位有效数据位+1位停止位+1位校验位=1帧（11位）；

过程：串口处于空闲状态时，为默认为高电平为1，串口需要传输的时候，必须要发送一个起始位，这个起始位必须是低电平，打破空闲状态的高电平，这个下降沿就是告诉接收设备，这一帧的数据要开始了，发送数据后，停止位固定为高电平，为下一帧发送做准备；

奇偶校验位：例如奇校验：就是如果数据中1的数为奇数则校验位为0，默认1为奇数，如果1为偶数，则校验位补1，使1为奇数个；

引脚高低电平反转是STM32USART外设自动完成，也可以通过软件模拟，就是设置一个对应波特率时间的定时器，然后定时调用GPIO完成引脚反转；

接收时候需要一个外部中断，在接收位下降沿触发，进入接收状态，对齐采样时钟，依次采样八次；

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*停止位可以设置长度；

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2.3.2时序图

总结:TX引脚发送高低电平，RX引脚读取高低电平，每个字节的数据加上起始位，停止位，可选的校验位打包成数据帧，依次输出在TX引脚，另一端RX引脚依次接收，完成数据传输，这就是串口通信；

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三、电平标准
*电平标准：

电平标准是数据0和数据1的表达方式，在传输线缆中人为的规定电压和数据的对应关系，串口通信常见的三种电平标准：

TTL电平:0V表示0，3.3V~5V表示1；

RS232：-3.3V~-15V表示1，3.3V~15V表示0；

RS485：两线压差-2V~-6V表示0，2V~6V表示1；RS485是差分信号；

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四、STM32的USART串口外设
4.1USART串口外设的介绍
通用同步/异步收发器；

*同步模式多加一个时钟输出，没有时钟输入，主要是为了兼容其他通信协议，不支持两个USART直接的同步；

USART是STM32内部集成的硬件外设，可以根据数据寄存器的一个字节数据，自动生成数据帧的时序，从TX引脚发送，也可以自动接收RX引脚的数据帧时序，拼接成一个字节数据，存放在数据寄存器中；

自带波特率发生器，最高可达4.5Mbits/S;（APB2总线给一个时钟频率72MKHZ，波特率发生器进行分频得到想要的时钟频率，作为采样频率）

可以配置数据位长度（8/9），停止位长度（0.5/1/2/2.5）

可选择校验位（无校验/奇校验/偶校验）

支持同步模式（多一个CLK时钟输出），硬件流控制（设备发送数据太块，会导致另外一个设备没有做好接收准备，通过实现一个设备准备好接收，另一个设备才继续发送，此时设置硬件流控制，就可以防止其中一个发送太块，导致另外一个没有接收导致数据丢失的问题）,DMA（转运数据），智能卡，IRDA（红外光通信）,LIN（局域网通信）；

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4.2USART串口外设的结构图

过程分析：TX，RX分别是接收和发送引脚，通过DR寄存器，硬件上分为两部分TDR发送寄存器和RDR数据接收寄存器组成；

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剩下的三个引脚是智能卡和IrDA通信的引脚；

我们需要发送数据时候，操作TDR发送数据寄存器（只写），当我们读取数据时候，通过RDR接收数据寄存器（只读），我们进行写操作，此时数据会被写入TDR中，然后检测发送移位寄存器内是否有数据，如果没有，那么TRD中的数据会立刻转移到发送移位寄存器中，然后置标志位TXE（发送寄存器为空）为1，表示转运完成，然后新的数据会装载在TRD中,此时数据还没有发送出去，之后移位寄存器中的数据，在发送控制器的作用下，向右移位（低位先行），一位一位的对应数据帧的时序，把数据输出到TX引脚，通过TX发送出去，当数据移位完成后，新的数据就会再次自动从TDR发送到移位寄存器里来，如果当前移位还没有完成，TDR数据就会进行等待，直到移位完成；有了TRD和移位寄存器的双重缓存，可以保证连续发送数据，数据帧不会有空闲；

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我们需要接收数据时候，数据从RX段输入，到接收移位寄存器中，在接收器控制下，一位一位的读取RX电平，先放在最高位，然后移位8次，接收一个字节（从高位到低位），当一个字节的移位完成后，这个字节的数据就会整体转移到RDR接收数据寄存器中，转移过程中也会置一个标志位RXNE（接收寄存器非空），之后可以通过读取寄存器获取值；

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发送控制器，控制发送移位寄存器，硬件数据流控制，又称流空，防止数据丢失或覆盖，nRTS是请求发送，是输出脚，nCTS用于接收其他设备的nRTS（n低电平有效）

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原理:发送设备的TX引脚接入接收设备的RX引脚，同时接收设备的nRTS接到发送设备的nCTS上，RTS输出一个能不能接收的反馈信号，如果可以接收时，RTX置低电平，表示可以接收，如果不能接收，则置高电平表示不能接收；直到置低电平重新发送;、

同步模式：产生同步的时钟信号，配合发送移位寄存器使用，发送寄存器每移位依次，同步时钟电平跳变一个周期，时钟告诉对方，移出去一位，只支持输出，不指出输入；

用途:1.串口加时钟类似于SPI，可以于SPI兼容；

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2.可以做自适应波特率；原理：当接收设备不知道发送设备的波特率，可以通过测量是时钟周期来计算波特率；

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唤醒单元：一般串口只支持点对点通信，而对于多设备通信，即一根总线上挂在多个设备，想和某个设备通信，只需要进行寻址，确定通信对象后，在进行数据收发；