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UART簡介

UART是通用異步收發器，全稱為Universal Asynchronous Receiver and Transmitter，屬于異步串口通信協議的一種，能夠靈活進行全雙工數據交換。

MM32F0140的UART支持全雙工數據交換、同步單向通信、半雙工單線通信、多處理器之間的通信以及調制解調器（CTS/RTS）操作。

串行通信

串行通信是指使用一條數據線，將數據一位一位地依次傳輸，每一位數據占據一個固定的時間長度，只需要少數幾條線就可以在系統間交換信息。

串行通信按照數據傳輸方向分為：

● 單工通信

數據只能在一個方向上傳輸，通常采用兩線進行通信，分別是：GND、TX(發送數據輸出引腳)或RX(接收數據輸入引腳)，發送設備與接收設備共地將參考電壓調節一致，MCU做發送或接收。

● 半雙工通信

相當于可切換方向的單工通信，在具體時刻，只允許數據在一個方向上傳輸，不能同時在兩個方向上傳輸。

● 全雙工通信

允許數據同時在兩個方向上傳輸，通常采用三線，分別是：GND、TX、RX，接收設備與發送設備均為雙向通信設備，若通信雙方有一方需為另一方提供電源，則兩設備的VDD相連。

異步通信

異步通信過程中，接收器和發送器使用各自的時鐘，以一個字符為傳輸單位，通信中兩個字符間的時間間隔不固定，但在同一個字符中的兩個相鄰位間的時間間隔固定，每一個字符要用起始位和停止位作為字符開始和結束的標志。

UART功能

如圖1所示，Device1做發送器，Device2做接收器進行通信，發送器對發送數據執行“并->串”轉換，然后，數據從發送器的發送數據輸出引腳(TX)輸出，在傳輸線路上一位一位的傳輸到接收器的接收數據輸入引腳(RX)，接收器對接收到的數據進行“串->并”轉換。

圖1. UART通信

數據傳輸

UART的數據傳輸如圖2所示，包含起始位、數據幀、奇偶校驗位、停止位、空閑幀與斷開幀。

● 起始位

在發送器被使能，且無數據發送時，TX引腳處于高電平，若要進行數據傳輸，發送器會在發送起始位拉低TX引腳，即將傳輸線從高電平拉到低電平并保持1個時鐘周期。

● 數據幀

數據幀包含需要傳輸的數據，數據長度由UART通用控制寄存器(UART_CCR)的CHAR位配置，通常可以設置為5 ~ 8位，若不使用奇偶校驗位，數據幀長度可為9位。

發送數據需要將UART全局控制寄存器(UART_GCR)的TXEN位置1，數據從UART發送數據寄存器(UART_TDR)寫入，經過一字節緩沖器緩沖，最后通過發送移位寄存器，以最低字節到最高字節的順序，串行在TX引腳上輸出。

接收數據需要將UART全局控制寄存器(UART_GCR)的RXEN位置1，讀UART接收數據寄存器(UART_RDR)可獲取接收到的數據并清零中斷狀態寄存器(UART_ISR)的RX_INTF(接收有效數據中斷標志)。

● 奇偶校驗位

檢驗數據中1的總個數為奇或偶，判斷傳輸器件數據是否發生改變。奇偶校驗可以通過UART通用控制寄存器(UART_CCR)的PEN位置1使能發送接收校驗，UART_CCR寄存器的PSEL位為1則數據偶校驗，PSEL位為0則數據奇校驗。

奇校驗：若數據位中1的數目是偶數，則校驗位為1，如果1的數目是奇數，校驗位為0。

偶校驗：若數據位中1的數目是偶數，則校驗位為0，如果1的數目是奇數，校驗位為1。

● 停止位

停止位用1表示一幀的結束，可通過配置UART通用控制寄存器(UART_CCR)的SPB0位設置停止位位數，位數可設置為0.5、1、1.5、2個停止位。

● 空閑幀

包括停止位在內，一個完全由1組成的完整數據幀，定義為一個空閑符號，下一個數據幀的起始位跟在空閑符之后。

● 斷開幀

包括停止位在內，一個完全由0組成的完整數據幀，定義為一個斷開符號，在斷開幀結束時，發送器再發送一個停止位1，使得下一幀的起始位能夠被識別到(產生下降沿被檢測到)。斷開符號通過設置UART_CCR寄存器的BRK位進行發送，若BKP位置1，在當前數據發送完成后，將會發送一個斷開符號到TX引腳上。

圖2. UART數據傳輸

波特率

波特率表示數據傳輸速率，波特率發生器產生時鐘，經過發送器和接收器的使能位置位控制后，供給發送或接收使用。對于大多數串行通信，需要將發送和接收設備的波特率設置為相同的值，若波特率不同，則發送與接收數據的時序可能受到影響。波特率的計算公式如圖3所示，UART波特率寄存器(UART_BRR)存放UART分配器除法因子(UARTDIV)的整數部分，UART分數波特率寄存器(UART_FRA)存放UARTDIV的小數部分。例如，若系統時鐘為48M，配置波特率為9600(每秒傳輸9600bit的數據)，則(48000000 /9600) / 16的結果賦值到UART_BRR寄存器中，(48000000 / 9600) % 16的取余結果賦值到UART_FRA寄存器中。

圖3. UART的波特率公式

實驗

本實驗配置UART的基本發送與接收功能，配置時鐘速率為48MHz，波特率為9600，數據長度為8位，不使用校驗及自動流控制，設置PA9為TX引腳，PA10為RX引腳。通過串口調試工具觀察數據的傳輸，發送數據與接收數據相同。

配置系統時鐘 clock_init()

如圖4所示，高速外部時鐘(HSE)的頻率范圍為4 ~ 24MHz，實驗所使用的晶振為12M，要使系統時鐘為48MHz，則配置PLL輸出48MHz做系統時鐘，操作時鐘控制寄存器(RCC_CR)的HSEON位使能HSE，等待HSERDY位拉高(即HSE時鐘被釋放)，設置PLL配置寄存器(RCC_PLLCFGR)中的PLLSRC位為1，并根據公式配置對應參數，PLL配置公式如圖5所示。配置閃存訪問控制寄存器(FLASH_ACR)啟用閃存預取，配置時鐘配置寄存器(RCC_CFGR)設置分頻并配置PLL輸出做系統時鐘。

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) )
    {
    }
}

圖4. MM32F0140部分時鐘樹
圖5. PLL配置公式

啟用UART外設時鐘 enable_clock()

UART1的UART1_TX與UART1_RX復用引腳為PA9與PA10，因此初始化GPIOA與UART1的外設時鐘，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;
}

配置引腳 pin_init()

由于UART的TX與RX引腳配置為復用功能配置，如圖6所示，PA9, PA10的UART1_TX與UART1_RX均使用AF1，對端口復用功能高位寄存器(GPIO_AFRH)的端口9、端口10對應位賦值。

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. */
}

圖6. 部分引腳復用表格

UART初始化 uart_init()

初始化UART需要配置：時鐘頻率、波特率、數據長度、停止位、傳輸模式及是否使用校驗。

如圖7所示，UART全局控制寄存器(UART_GCR)的TXEN位與RXEN位控制傳輸模式，兩位均置1表示傳輸模式為TX與RX，AUTOFLOWEN位控制是否使用自動流控制，UARTEN位控制UART的使能。

如圖8所示，UART通用控制寄存器(UART_CCR)的SPB1、SPB0位控制停止位位數，CHAR位控制數據寬度，PSEL位選擇采用奇校驗還是偶校驗，PEN位控制校驗使能；UART波特率寄存器(UART_BRR)與UART分數波特率寄存器(UART_FRA)分別存儲UART分頻器除法因子的整數與小數。

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;
}

圖7. MM32F0140 UART_GCR寄存器
圖8. MM32F0140 UART_CCR寄存器部分位

UART發送數據 uart_putchar()

通過讀取UART當前狀態寄存器(UART_CSR)獲取當前狀態，當發送緩沖區為空時，可進行數據發送，將發送數據傳入UART發送數據寄存器(UART_TDR)，定義發送數據函數uart_putchar()，變量“c”為需要發送的數據。

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

UART接收數據 uart_getchar()

通過讀取UART當前狀態寄存器(UART_CSR)獲取當前狀態，當接收緩沖接收了一個完整字節的數據時，可讀取UART接收數據寄存器(UART_RDR)獲取接收數據，定義接收數據函數uart_getchar()，該函數返回接收的數據。

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輸出字符串 uart_putbuffer()

使用UART發送函數編寫發送字符串函數。

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

main()函數

main()函數結合上述操作，不斷循環接收數據函數uart_getchar()與發送數據函數uart_putchar()，將接收到的數據發送出去,實驗現象如圖9所示，程序運行后串口輸出"uart_basic example."，通過串口調試工具輸入"mindmotion",UART輸出"mindmotion",輸入數據與輸出數據相同。

int main(void)
{
    uint8_t c;

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

    uart_putbuffer((uint8_t *)"rnuart_basic example.rn");
    while (1)
    {
        c = uart_getchar();
        uart_putchar(c);
    }
}

圖9. 實驗現象