MM32F0140 UART 学习笔记

UART简介

UART是通用异步收发器，全称为Universal Asynchronous Receiver and Transmitter，属于异步串口通信协议的一种，能够灵活进行全双工数据交换。
MM32F0140的UART支持全双工数据交换、同步单向通信、半双工单线通信、多处理器之间的通信以及调制解调器（CTS/RTS）操作。

串行通信

串行通信是指使用一条数据线，将数据一位一位地依次传输，每一位数据占据一个固定的时间长度，只需要少数几条线就可以在系统间交换信息。

串行通信按照数据传输方向分为：

单工通信
数据只能在一个方向上传输，通常采用两线进行通信，分别是：GND、TX(发送数据输出引脚)或RX(接收数据输入引脚)，发送设备与接收设备共地将参考电压调节一致，MCU做发送或接收。
半双工通信
相当于可切换方向的单工通信，在具体时刻，只允许数据在一个方向上传输，不能同时在两个方向上传输。
全双工通信
允许数据同时在两个方向上传输，通常采用三线，分别是：GND、TX、RX，接收设备与发送设备均为双向通信设备，若通信双方有一方需为另一方提供电源，则两设备的VDD相连。

异步通信

异步通信过程中，接收器和发送器使用各自的时钟，以一个字符为传输单位，通信中两个字符间的时间间隔不固定，但在同一个字符中的两个相邻位间的时间间隔固定，每一个字符要用起始位和停止位作为字符开始和结束的标志。

UART功能

如图1所示，Device1做发送器，Device2做接收器进行通信，发送器对发送数据执行“并->串”转换，然后，数据从发送器的发送数据输出引脚(TX)输出，在传输线路上一位一位的传输到接收器的接收数据输入引脚(RX)，接收器对接收到的数据进行“串->并”转换。

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图1.UART通信

数据传输

UART的数据传输如图2所示，包含起始位、数据帧、奇偶校验位、停止位、空闲帧与断开帧。

起始位
在发送器被使能，且无数据发送时，TX引脚处于高电平，若要进行数据传输，发送器会在发送起始位拉低TX引脚，即将传输线从高电平拉到低电平并保持1个时钟周期。
数据帧
数据帧包含需要传输的数据，数据长度由UART通用控制寄存器(UART\_CCR)的CHAR位配置，通常可以设置为5 ~ 8位，若不使用奇偶校验位，数据帧长度可为9位。
发送数据需要将UART全局控制寄存器(UART\_GCR)的TXEN位置1，数据从UART发送数据寄存器(UART\_TDR)写入，经过一字节缓冲器缓冲，最后通过发送移位寄存器，以最低字节到最高字节的顺序，串行在TX引脚上输出。
接收数据需要将UART全局控制寄存器(UART\_GCR)的RXEN位置1，读UART接收数据寄存器(UART\_RDR)可获取接收到的数据并清零中断状态寄存器(UART\_ISR)的RX\_INTF(接收有效数据中断标志)。
奇偶校验位
检验数据中1的总个数为奇或偶，判断传输器件数据是否发生改变。奇偶校验可以通过UART通用控制寄存器(UART\_CCR)的PEN位置1使能发送接收校验，UART\_CCR寄存器的PSEL位为1则数据偶校验，PSEL位为0则数据奇校验。
奇校验：若数据位中1的数目是偶数，则校验位为1，如果1的数目是奇数，校验位为0。
偶校验：若数据位中1的数目是偶数，则校验位为0，如果1的数目是奇数，校验位为1。
停止位
停止位用1表示一帧的结束，可通过配置UART通用控制寄存器(UART\_CCR)的SPB0位设置停止位位数，位数可设置为0.5、1、1.5、2个停止位。
空闲帧
包括停止位在内，一个完全由1组成的完整数据帧，定义为一个空闲符号，下一个数据帧的起始位跟在空闲符之后。
断开帧
包括停止位在内，一个完全由0组成的完整数据帧，定义为一个断开符号，在断开帧结束时，发送器再发送一个停止位1，使得下一帧的起始位能够被识别到(产生下降沿被检测到)。断开符号通过设置UART\_CCR寄存器的BRK位进行发送，若BKP位置1，在当前数据发送完成后，将会发送一个断开符号到TX引脚上。

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图2.UART数据传输

波特率

波特率表示数据传输速率，波特率发生器产生时钟，经过发送器和接收器的使能位置位控制后，供给发送或接收使用。对于大多数串行通信，需要将发送和接收设备的波特率设置为相同的值，若波特率不同，则发送与接收数据的时序可能受到影响。波特率的计算公式如图3所示，UART波特率寄存器(UART\_BRR)存放UART分配器除法因子(UARTDIV)的整数部分，UART分数波特率寄存器(UART\_FRA)存放UARTDIV的小数部分。例如，若系统时钟为48M，配置波特率为9600(每秒传输9600bit的数据)，则(48000000 /9600) / 16的结果赋值到UART\_BRR寄存器中，(48000000 / 9600) % 16的取余结果赋值到UART\_FRA寄存器中。

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图3.UART的波特率公式

实验

本实验配置UART的基本发送与接收功能，配置时钟速率为48MHz，波特率为9600，数据长度为8位，不使用校验及自动流控制，设置PA9为TX引脚，PA10为RX引脚。通过串口调试工具观察数据的传输，发送数据与接收数据相同。

配置系统时钟 clock\_init()

如图4所示，高速外部时钟(HSE)的频率范围为4 ~ 24MHz，实验所使用的晶振为12M，要使系统时钟为48MHz，则配置PLL输出48MHz做系统时钟，操作时钟控制寄存器(RCC\_CR)的HSEON位使能HSE，等待HSERDY位拉高(即HSE时钟被释放)，设置PLL配置寄存器(RCC\_PLLCFGR)中的PLLSRC位为1，并根据公式配置对应参数，PLL配置公式如图5所示。配置闪存访问控制寄存器(FLASH\_ACR)启用闪存预取，配置时钟配置寄存器(RCC\_CFGR)设置分频并配置PLL输出做系统时钟。

void clock_init()
{
    /* Enable HSE. */
    RCC->CR |= RCC_CR_HSEON_MASK;
    while ( RCC_CR_HSERDY_MASK != (RCC->CR & RCC_CR_HSERDY_MASK ) ) /* Waiting HSE ready. */
    {
    }
    /* F_clko = F_refin * N/(M * P), F_refin = 12M, 12*8/(1*2) = 48. */
    RCC->PLLCFGR = RCC_PLLCFGR_PLLSRC(1)  /* HSE clock is used as PLL input clock. */
                 | RCC_PLLCFGR_PLLDN(7)   /* N = DN + 1 = 7 + 1 = 8. */
                 | RCC_PLLCFGR_PLLDM(1)   /* M = DM + 1 = 1 + 1 = 2. */
                 | RCC_PLLCFGR_PLLDP(0)   /* P = DP + 1 = 0 + 1 = 1. */
                 | RCC_PLLCFGR_PLLLDS(1)  /* PLL lock detector accuracy select. */
                 | RCC_PLLCFGR_PLLICTRL(3)  /* 10uA. */
                 ;
    /* Enable PLL. */
    RCC->CR |= RCC_CR_PLLON_MASK;
    while( 0u == ( RCC->CR & RCC_CR_PLLRDY_MASK ) ) /* Waiting PLL ready. */
    {
    }
    /* Enable the FLASH prefetch. */
    RCC->AHB1ENR |= RCC_AHB1ENR_FLITFEN_MASK; /* Enable the access to FLASH. */
    FLASH->ACR = FLASH_ACR_LATENCY(1u)        /* Setup divider: 1 for 48Mhz. */
               | FLASH_ACR_PRFTBE_MASK        /* Enable flash prefetch. */
               ;
    /* Setup the dividers for each bus. */
    RCC->CFGR = RCC_CFGR_HPRE(0)     /* Div=1 for AHB freq. */
              | RCC_CFGR_PPRE1(0x0)  /* Div=1 for APB1 freq. */
              | RCC_CFGR_PPRE2(0x0)  /* Div=1 for APB2 freq. */
              | RCC_CFGR_MCO(7)      /* Use PLL/2 as output. */
              ;
    /* Switch the system clock source to PLL. */
    RCC->CFGR = ( (RCC->CFGR & ~RCC_CFGR_SW_MASK ) | RCC_CFGR_SW(2) ); /* Use PLL as SYSCLK. */
    /* Wait till PLL is used as system clock source. */
    while ( (RCC->CFGR &  RCC_CFGR_SWS_MASK ) != RCC_CFGR_SWS(2) )
    {
    }
}

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图4.MM32F0140部分时钟树

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图5.PLL配置公式

启用UART外设时钟 enable\_clock()

UART1的UART1\_TX与UART1\_RX复用引脚为PA9与PA10，因此初始化GPIOA与UART1的外设时钟，UART1在APB2上，GPIOA在AHB上。

void enable_clock()
{
    /* Enable UART1 clock. */
    RCC->APB2ENR |= RCC_APB2_PERIPH_UART1;
    /* Enable GPIOA clock. */
    RCC->AHB1ENR |= RCC_AHB1_PERIPH_GPIOA;
}

配置引脚 pin\_init()

由于UART的TX与RX引脚配置为复用功能配置，如图6所示，PA9, PA10的UART1\_TX与UART1\_RX均使用AF1，对端口复用功能高位寄存器(GPIO\_AFRH)的端口9、端口10对应位赋值。

void pin_init()
{
    /* Setup PA9, PA10. */
    GPIOA->CRH &= ~GPIO_CRH_MODE9_MASK;
    GPIOA->CRH |= GPIO_PinMode_AF_PushPull;     /* PA9 multiplexed push-pull output. */
    GPIOA->AFRH &= ~GPIO_AFRH_AFR_MASK;
    GPIOA->AFRH |= (GPIO_AF_1 << GPIO_CRH_MODE9_SHIFT);   /* Use AF1. */
    
    GPIOA->CRH &= ~GPIO_CRH_MODE10_MASK;
    GPIOA->CRH |= GPIO_PinMode_In_Floating;     /* PA10 floating input. */
    GPIOA->AFRH |= (GPIO_AF_1 << GPIO_CRH_MODE10_SHIFT);    /* Use AF1. */
}

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图6.部分引脚复用表格

UART初始化 uart\_init()

初始化UART需要配置：时钟频率、波特率、数据长度、停止位、传输模式及是否使用校验。
如图7所示，UART全局控制寄存器(UART\_GCR)的TXEN位与RXEN位控制传输模式，两位均置1表示传输模式为TX与RX，AUTOFLOWEN位控制是否使用自动流控制，UARTEN位控制UART的使能。
如图8所示，UART通用控制寄存器(UART\_CCR)的SPB1、SPB0位控制停止位位数，CHAR位控制数据宽度，PSEL位选择采用奇校验还是偶校验，PEN位控制校验使能；UART波特率寄存器(UART\_BRR)与UART分数波特率寄存器(UART\_FRA)分别存储UART分频器除法因子的整数与小数。

void uart_init()
{
    /* Clear the corresponding bit to be used. */
    UART1->CCR &= ~( UART_CCR_PEN_MASK | UART_CCR_PSEL_MASK | UART_CCR_SPB0_MASK | UART_CCR_SPB1_MASK | UART_CCR_CHAR_MASK );
    UART1->GCR &= ~( UART_GCR_AUTOFLOWEN_MASK | UART_GCR_RXEN_MASK | UART_GCR_TXEN_MASK );
    /* WordLength. */
    UART1->CCR |= UART_CCR_CHAR_MASK;
    /* XferMode. */
    UART1->GCR |= (UART_XferMode_RxTx << UART_GCR_RXEN_SHIFT);
    /* Setup baudrate, BOARD_DEBUG_UART_FREQ = 48000000u, BOARD_DEBUG_UART_BAUDRATE = 9600u. */
    UART1->BRR = (BOARD_DEBUG_UART_FREQ / BOARD_DEBUG_UART_BAUDRATE) / 16u;
    UART1->FRA = (BOARD_DEBUG_UART_FREQ / BOARD_DEBUG_UART_BAUDRATE) % 16u;
    /* Enable UART1. */
    UART1->GCR |= UART_GCR_UARTEN_MASK;
}

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图7.MM32F0140 UART\_GCR寄存器

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图8.MM32F0140 UART\_CCR寄存器部分位

UART发送数据 uart\_putchar()

通过读取UART当前状态寄存器(UART\_CSR)获取当前状态，当发送缓冲区为空时，可进行数据发送，将发送数据传入UART发送数据寄存器(UART\_TDR)，定义发送数据函数uart\_putchar()，变量“c”为需要发送的数据。

void uart_putchar(uint8_t c)
{
    while ( 0u == ( UART_STATUS_TX_EMPTY & (UART1->CSR) ) )  /* Waiting tx buffer empty. */
    {}
    UART1->TDR = (uint8_t)c;
}

UART接收数据 uart\_getchar()

通过读取UART当前状态寄存器(UART\_CSR)获取当前状态，当接收缓冲接收了一个完整字节的数据时，可读取UART接收数据寄存器(UART\_RDR)获取接收数据，定义接收数据函数uart\_getchar()，该函数返回接收的数据。

uint8_t uart_getchar(void)
{
    while ( 0u == ( UART_STATUS_RX_DONE & (UART1->CSR) ) )  /* Waiting rx buffer receives a complete byte of data. */
    {}
    return (uint8_t)(UART1->RDR & 0xff);
}

UART输出字符串 uart\_putbuffer()

使用UART发送函数编写发送字符串函数。

void uart_putbuffer(uint8_t *str)
{
    while ((*str) != '\0')
    {
        uart_putchar(*str);
        str++;
    }
}

main()函数

main()函数结合上述操作，不断循环接收数据函数uart\_getchar()与发送数据函数uart\_putchar()，将接收到的数据发送出去，实验现象如图9所示，程序运行后串口输出"uart\_basic example."，通过串口调试工具输入"mindmotion",UART输出"mindmotion",输入数据与输出数据相同。

int main(void)
{
    uint8_t c;

    clock_init();
    enable_clock();
    pin_init();
    uart_init();

    uart_putbuffer((uint8_t *)"\r\nuart_basic example.\r\n");
    while (1)
    {
        c = uart_getchar();
        uart_putchar(c);
    }
}

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图9.实验现象