UART串口实验(Cortex-A7)

🎯UART和USART串口 ​

• 总线的概念
• UART(Universal Asynchronous Receiver/Trainsmitter) 通用异步收发传输器
• USART(Universal Asynchronous/Asychronous Receiver/Trainsmitter) 通用同步/异步收发传输器
• 都是串行通信接口

🔌串口的连接方式 ​

1. 直连方式 ​

2. usb 转串口连接方式 ​

RS232电平：
  高电平：-----> + 5v
  低电平：-----> + 0v
TTL电平：
  高电平：-----> +15v ~ +3v
  低电平：-----> -15v ~ -3v

3. ST-LINK 仿真器连接方式 ​

1. 仿真器的作用：完成 USB 口和串口之间的切换
2. 在 ST-LINK 仿真器内部有一个 STM32F103 芯片，在这个芯片内固化了一段代码，这段代码完成 USB 口和串口之间的转换

📝串口的通信协议 ​

串口常用配置 ​

• 下图为 SecureCTR 程序连接串行设备的配置界面：

1. 串口采用的是串行通信方式：因为收发数据时，一个时钟周期，只能收发一位数据
2. 串口常用配置信息：
   • 波特率：115200 单位 bps （比特率、 二进制/秒、比特/秒）
     • 含义：串口通信时，传输的速率，1s 钟可以传输 115200bit 数据
     • 115200 的倒数代表传输每位数据需要的时间
   • 数据位：8 位数据位
   • 校验位：没有
   • 停止位：1 位

串口通信协议 ​

1. 空闲态：总线处于高电平状态，UART 总线不在传输数据时，总线就处于空闲状态
2. 起始信号：总线处于低电平状态，开始发送数据的标志
3. 数据位：总线处于高/低电平状态，要看实际发送的数据，先发送低位，再发送高位
4. 校验位（奇校验/偶校验）
   • 奇校验：数据位和校验位 1 的个数为奇数
     • 假设发送数据 0x55，校验位：1
     • 假设发送数据 0x51，校验位：0
   • 偶校验：数据位和校验位 1 的个数位偶数
     • 假设发送数据 0x55，校验位：0
     • 假设发送数据 0x51，校验位：1
   • 实际开发中很少使用校验位，因为会占用掉 1 帧数据影响传输的速率
5. 终止信号：发送数据结束，校准时钟信号

⚡分析电路图 ​

• 从FSMP1A主板的丝印上的 J12 找到对应的原理图：

• 上图中，最右边的 1,2,3 对应的是 TXD，RXD 和 GND
• 最左边是网络标号 UART4_TX 和 UART4_RX

• 通过网络标号，找到它们的引脚分别是 PB2 和 PG11

🕵️分析框图 ​

• （RCC 章节）需要通过 RCC 使能 GPIOG ，GPIOB 以及 UART4 控制器
• （GPIO 章节）需要：
  1. 将引脚设置为复用功能模式
  2. 设置复用功能模式为串口模式
• （UART 章节）需要：
  1. 串口初始化相关工作
  2. 数据收发

1️⃣分析RCC章节 ​

• 目的：通过 RCC 使用 GPIOG/GPIOE 和 UART4 控制器
• 通过 2.5.2 章节可知，RCC 和 GPIO 组相关的控制器，通过『 AHB4 』总线与 A7 核相连

• 而 URAT 则通过 APB1 总线和 A7 核相连：

• 通过 AHB4 总线的部分，可以知道它们的基地址分别是：
  • GPIOG：0x50008000
  • GPIOB：0x50003000
  • RCC: 0x50000000

• 通过 APB1 总线的部分，可以知道 UART 的基地址为 0x40010000

• 使用 AHB4 的使能寄存器 AHB4ENSETR，将 GPIOB，GPIOE 和 RCC 控制器使用：
• RCC 的基地址是 0x5000_0000 偏移后为 0x5000_0A28 为该寄存器地址
• 因为需要使用这两个 GPIOB 和 GPIOE 所以，将第 1 和第 6 位设置为 1

• 同理，在 APB1 的使能寄存器中 APB1ENSETR，启用 UART4 控制器：
  • 它的地址是 RCC基地址 + 偏移量 = 0x5000_0000 + 0xA00 = 0x5000_0A00
• 将它的第 16 位设置为 1 使用 UART4 控制器

2️⃣分析GPIO章节 ​

• 目的：将引脚设置为复用功能模式，设置复用功能模式为串口模式

GPIO_xMODER 寄存器 ​

• 该寄存器为端口模式寄存器，作用设置 GPIO 引脚模式
• 第一步：确定地址
  • GPIOB_MODER地址 = GPIOB基地址 + 偏移地址 = 0x5000_3000 + 0x00 = 0x5000_3000
  • GPIOG_MODER地址 = GPIOG基地址 + 偏移地址 = 0x5000_8000 + 0x00 = 0x5000_8000
• 第二步：通过 GPIOB_MODER 寄存器设置 PB2 引脚为复用功能模式：
  • GPIOB_MODER[5:4] = 0b10
  • 0x5000_3000[5:4] = 0b10
• 第三步：通过 GPIOG_MODER 寄存器设置 PG11 引脚为复用功能模式：
  • GPIOG_MODER[23:22] = 0b10
  • 0x50008000[23:22] = 0b10

GPIOx_AFRL 寄存器和 GPIOx_AFRH 寄存器 ​

• Alternative Function (AF)
• 复用功能选择寄存器有两个，分别是 GPIOx_AFRL 和 GPIOx_AFRH，因为每个引脚需要通过 4 位进行设置，所以分低（引脚0-7）和高（引脚8-15）

• 寄存器允许写入的数据如下：

• 至于需要填入的 AF 编号，需要参考 DS12504-STM32MP157 的 datasheet 文档
• 在上述文档的第四章节的『引脚描述和功能复用』中的 Table.9 找到 引脚 PB2 行，找到表中的 UART4_RX 功能，可以看到它属于 AF8 一列，所以我们需要在上述的 GPIOB_AFRL 寄存器中填入 AF8 对应的 0b1000

• 同理，在 GPIOx_AFRH 部分的文档中，我们需要修改的是 12-15 四个位：

• 在 DS12504 文档第四章中找到对应的 AF 编号：

• 返回寄存器文档，查看需要填入的四位：

3️⃣分析UART章节 ​

• 对应 RM0436 文档第 53 章节

功能框图 ​

• 分析 UART/USART 的框图：

数据发送流程 ​

• 在 53.5.5 USART transmitter 章节，可以找到 Character transmission procedure

• 上面截图删除了目前实验用不到的过程
• 配置的参数参考 📝串口的通信协议#串口常用配置

数据接收流程 ​

• 和数据发送流程类似，上面是数据的接收流程
• 通过 USART_CR1 寄存器设置数据位
• 通过 USART_BRR 寄存器设置波特率
• 通过 USART_CR2 寄存器设置停止位
• 将 USART_CR1 寄存器的 UE 位设置为 1
• 设置 USART_CR1 的 RE 位使能，这是数据接收的起始位

USART_CR1 寄存器 ​

• 目标：地址 + 设置的位 + 设置值
• UART4 的基地址，参考分析 RCC 章节为 0x4001_0000

M1 位和 M0 位 ​

• 设置 1 位起始位，8位数据位

OVER8 位 ​

• 采样率，影响波特率设置的值，越大越准确

PCE 位 ​

• 设置无奇偶校验位

TE位 ​

• 设置发送位使能

RE位 ​

• 设置接收位使能

UE位 ​

• 设置串口使能

USART_CR2 寄存器 ​

• 设置串口的停止位
• 地址 0x4001_0000 + 0x04
• 初始化数值：CR2[13][12] = 0b00

• 只有 USART 关闭的时候才能有效（UE 位为 0）

USART_BRR 寄存器 ​

• 上图为 BRR 寄存器的文档，它的地址是 0x4001_0000 + 0x0c
• 需要设置的是 [0:15]，它是依据 53.5.7 的公式进行计算

• 上图为一个例子，比如 9600 波特率，使用的采样率是 16 倍，通过公式计算，得到的 BRR 需要设置的为 0341h
• 如果想知道 USART_BRR 寄存器需要设置的值，需要参考 53.5.7 章节，确认串口提供的主频64MHZ（这是 uboot 设置的），并且设置波特率为 115200
  • USART_BRR = 64000000 / 115200 = 0x22B

USART_RDR 寄存器 ​

• 串口接收数据寄存器
• 地址 0x4001_0024
• 接收到的数据存放在串口数据寄存器中，只能读不能写
• RDR[8:0] ：接收到的数据

USART_TDR 寄存器 ​

• 串口发送数据寄存器
• 地址：0x4001_0028
• 将发送的数据按位发送到发送寄存器中
  • TDR[8:0] = 要发送的数据

USART_PRESC 寄存器 ​

• 时钟分频寄存器，分频影响主频从而影响波特率的生成（看功能框图）
• 地址：0x4001_002C
• 因为前面设置好了 BRR 寄存器，所以这里设置不分频
• PRESC[3:0] = 0b0000

USART_ISR 寄存器 ​

• 状态寄存器，用来读取 UART 的状态
• 地址 0x4001_001C

• 读取 TXE 位，可以 判断发送寄存器空满
• UART4_ISA[7]，只有空才能发送下一个字节数据，如果满需要等待

• 读取 TC 位，可以判断数据是否完成

• 读取 RXNE 位，可以判断接收寄存器的是否为空

🧪实验1 ​

• 代码仓库

🧪实验2 ​

• 代码仓库