STM32-UART-串口通信框图-波特率计算

1.处理器与外部设备通信的两种方式：

并行通信

传输原理：数据各个位同时传输。
优点：速度快
缺点：占用引脚资源多

串行通信

传输原理：数据按位顺序传输。
优点：占用引脚资源少
缺点：速度相对较慢

2.串行通信：

2.1按照数据传送方向，分为：

单工：数据传输只支持数据在一个方向上传输
半双工：允许数据在两个方向上传输，但是，在某一时刻，只允许数据在一个方向上传输，它实际上是一种切换方向的单工通信；
全双工：允许数据同时在两个方向上传输，因此，全双工通信是两个单工通信方式的结合，它要求发送设备和接收设备都有独立的接收和发送能力。

2.2串行通信的通信方式：

同步通信：带时钟同步信号传输。SPI，IIC通信接口

有时钟同步信号，A传到B的过程中，每一个位都是根据时钟来传的，比如时钟到达上升沿，传1bit。

异步通信：不带时钟同步信号。UART(通用异步收发器),单总线

A和B之间没有时钟同步信号，双方先约定一些波特率、起始位等，计算出发送每一bit占用的时间。

常见的串行通信接口：

如果是全双工，那么发送和接收都要有独立的引脚。半双工一般只占用一个独立的发送\接收引脚。

如果是同步通信，那么一定有同步时钟。

通信标准	引脚说明	通信方式	通信方向
UART (通用异步收发器)	TXD:发送端 RXD:接受端 GND:公共地	异步通信	全双工
单总线（1-wire)	DQ:发送/接受端	异步通信	半双工
SPI	SCK:同步时钟 MISO:主机输入，从机输出 MOSI:主机输出，从机输入	同步通信	全双工
I2C	SCL:同步时钟 SDA:数据输入/输出端	同步通信	半双工

3.异步串口通信UART

包含：

物理层(电气层：接口决定）：通信接口（RS232,RS485,RS422,TTL)
数据格式（数据层：芯片决定）起始位校验位等约定好
通信协议（协议层：程序决定）数据出错能检测出来等

UART异步通信方式引脚连接方法：

RXD:数据输入引脚。数据接收。TXD:数据发送引脚。数据发送。

TTL串口 & RS232 & RS485 & RS422

两个电路板相连，往往用到一些接口，而不是直接相连TXRX。

接口类型	逻辑1 典型值	逻辑0 典型值	说明	优缺点
TTL	+5/3.3	0	一般MCU串口引脚都支持TTL
RS232	-15V～-3V	3V～15V	3线全双工，点对点	接口电平高，传输速度相对较低，传输距离近
RS485	两根线的压差+（2~6）V	压差-（2~6）V	2线半双工，点对多，主从通信。使用压差传递信号。	传输速度高可达10M，抗干扰能力强，距离远。
RS422	相对比较少用。

USB串口

MCU发送串口信号，经电平转换芯片变为USB信号，通过USB连到电脑，电脑可以直接识别USB信号。

STM32 UART异步通信方式引脚：

串口号	RXD	TXD
1	PA10(PB7)	PA9（PB6)
2	PA3(PD6)	PA2(PD5)
3	PB11(PC11/PD9)	PB10(PC10/PD8)
4	PC11(PA1)	PC10(PA0)
5	PD2	PC12
6	PC7(PG9)	PC6(PG14)

4.STM32串口数据格式和通信过程

STM32串口通信过程:信号一位一位传过来，速度根据波特率来传。串行移位寄存器一个一个读过来，然后一次性写入到输入数据缓冲器里，MCU从中读取数据。

MCU写输出数据缓冲器，然后一次性给串行移位寄存器，然后在波特率控制下，把数据一位位送到外部设备。

STM32串口异步通信需要定义的参数：

起始位：1个逻辑0数据位开始
数据位（8位或者9位）
奇偶校验位（第9位）
停止位（1,1.5,2位）
波特率设置

5.STM32F4xx串口框图

TX:芯片数据发送出去，RX：数据接收。接收后放到接收移位寄存器，然后全部给接收数据寄存器，然后CPU可以通过总线读取数据。发送的话，CPU把数据写到发送数据寄存器，之后数据送到发送移位寄存器，数据一位一位的从IO口出去。

对于这个发送和接收移位寄存器，必须提前设定好波特率，这两个寄存器受发送控制和接收器控制。可以由下图看到：发送和接收端共用一个波特率，用于确定串行通信的速度。最下面有一个BRR寄存器，首先时钟来自于pCLKx ，pclk经过/usartdiv和/(8*(2-OVER8)),OVER8由控制寄存器的一个位决定可能为0或1，把这个时钟作为发送器和接收器的时钟，控制发送和接收移位寄存器，实现控制传输数据的速度。

对于接收器控制和发送控制，图中还有几个寄存器，右边SR寄存器，记录一些状态标志位，左边CR1，有一些使能位，高位连接中断控制，可以触发一些中断。

6.波特率计算方法

波特率决定了串口的通信速度，如何计算。

上图OVER8：在控制寄存器 1 (USART_CR1)中可找到，其中采样频率越高，容错性越好，但是限制了速度。如果8倍过采样可以提高速度。

小数波特率生成：

对 USARTDIV 的尾数值和小数值进行编程时，接收器和发送器（Rx 和 Tx）的波特率均设置为相同值。

当fck确定，又要达到某一种波特率，此时可以计算出USARTDIV的值是多少。它的值是由USART_BRR 寄存器决定的。

USARTDIV 是一个存放在 USART_BRR 寄存器中的无符号定点数。
当 OVER8=0 时，小数部分编码为 4 位并通过 USART_BRR 寄存器中的 DIV_fraction[3:0] 位编程。
当 OVER8=1 时，小数部分编码为 3 位并通过 USART_BRR 寄存器中的 DIV_fraction[2:0] 位编程，此时 DIV_fraction[3] 位必须保持清零状态。
注意：对 USART_BRR 执行写操作后，波特率计数器更新为波特率寄存器中的新值。因此，波特率寄存器的值不应在通信时发生更改。

如图所示，USART中DIV_Mantissa是设置USARTDIV 的整数部分，DIV_Fraction是设置USARTDIV的小数部分。如果经过公式算出USARTDIV=37.5该如何设置 USART_BRR寄存器？

可以看到波特率寄存器 (USART_BRR)：位15：4一共12位，如果设置USARTDIV=37.5，只需要把高十二位设置成37 。小数则是由低4位决定的，由于低四位一共有2^4=16个数，占满了0-1，所以可以0.5*16=8,赋给低四位即可。

可以总结出：OVER8=0时波特率计算公式：

①根据波特率和串口时钟频率，计算出USARTDIV的值。

②DIV_Fraction=USART的小数部分 X16所得的整数

DIV_Mantissa=USART的整数部分

假如OVER8=0，串口时钟为90M，需要得到115200的波特率，根据公式计算得到USARTDIV=90000000/(115200*16)=48.828

DIV_Fraction=16*0.828的整数部分=13=0X0D；

DIV_Mantissa=48=0x30；

得到USART1->BRR值为0x30d，只要设置串口1的BRR寄存器值位0x30d就可得到115200的波特率。