STM32F1HAL库串口通信流程解析

一.串口通信

1.初始化顺序

1.1.时钟初始化

• 首先进行IO口时钟初始化

  • HAL_UART_MspInit 函数的部分代码

  __HAL_RCC_USART2_CLK_ENABLE(); // 串口时钟初始化
  __HAL_RCC_GPIOD_CLK_ENABLE(); // GPIO时钟初始化
  

• 进行串口初始化的时候要求初始化IO口原因：串口实质是作为IO口的复用,即将IO口连接到硬件外设上面去，所以要将IO口也初始化时钟

• IO引脚复用中，IO口需要配置时钟来访问IO寄存器完成引脚配置

  • 这里的串口时钟和GPIO口的挂载时钟总线可能会出现不一致的情况，但是这里并不影响实际外设的功能，比如下面为串口和GPIO的时钟挂载

  • #define __HAL_RCC_USART2_CLK_ENABLE()   do { \
                                            __IO uint32_t tmpreg; \
                                            SET_BIT(RCC->APB1ENR, RCC_APB1ENR_USART2EN);\
                                            /* Delay after an RCC peripheral clock enabling */\
                                            tmpreg = READ_BIT(RCC->APB1ENR, RCC_APB1ENR_USART2EN);\
                                            UNUSED(tmpreg); \
                                          } while(0U)
    #define __HAL_RCC_GPIOD_CLK_ENABLE()   do { \
                                            __IO uint32_t tmpreg; \
                                            SET_BIT(RCC->APB2ENR, RCC_APB2ENR_IOPDEN);\
                                            /* Delay after an RCC peripheral clock enabling */\
                                            tmpreg = READ_BIT(RCC->APB2ENR, RCC_APB2ENR_IOPDEN);\
                                            UNUSED(tmpreg); \
                                          } while(0U)
    

  • 分别挂载在APB1和APB2的时钟总线下，实际以串口外设的时钟源为准，GPIO访问寄存器配置完后就完成工作了，不会影响串口的波特率等性能

• 时钟挂载一般需要参考开发手册

1.2.配置复用GPIO

• 配置引脚为复用功能模式（Alternate Function Mode），并指定复用功能编号（比如AF编号)

• 同时作为一个硬件外设，通常会设置一个默认硬件，此时不需要写入寄存器去修改复用其他引脚编号

• STM32的F1里面会有专门的复用寄存器

  • HAL_UART_MspInit 函数的内部部分实现代码

    GPIO_InitStruct.Pin = GPIO_PIN_5;
    GPIO_InitStruct.Mode = GPIO_MODE_AF_PP;       // 设置IO口为复用推挽输出  这里对应TX引脚
    GPIO_InitStruct.Speed = GPIO_SPEED_FREQ_HIGH; // 这个是IO口电平反转的速度，针对波特率来设定 
    HAL_GPIO_Init(GPIOD, &GPIO_InitStruct);       // 将这个IO口的配置信息写入到复用寄存器里面
    
    GPIO_InitStruct.Pin = GPIO_PIN_6;
    GPIO_InitStruct.Mode = GPIO_MODE_INPUT;      // 设置IO口为输入模式，对应RX引脚
    GPIO_InitStruct.Pull = GPIO_NOPULL;			  // 既不上拉也不下拉
    HAL_GPIO_Init(GPIOD, &GPIO_InitStruct);      // 将这个IO口的配置信息写入到复用寄存器里面
    
    __HAL_AFIO_REMAP_USART2_ENABLE();   // F1系列需要使能专门的寄存器来进行复用
    

  • 下面为 HAL_GPIO_Init 内部实现的部分代码

  • switch (GPIO_Init->Mode)
    {
        /* If we are configuring the pin in OUTPUT push-pull mode */
        case GPIO_MODE_OUTPUT_PP:
          /* Check the GPIO speed parameter */
          assert_param(IS_GPIO_SPEED(GPIO_Init->Speed));
          config = GPIO_Init->Speed + GPIO_CR_CNF_GP_OUTPUT_PP;
          break;
    }
    

  • 根据GPIO的模式来将IO口的速度以及复用引脚编号的寄存器信号写在config里面，然后将config写入寄存器

  • /* Apply the new configuration of the pin to the register */
    MODIFY_REG((*configregister), ((GPIO_CRL_MODE0 | GPIO_CRL_CNF0) << registeroffset), (config << registeroffset));
    

• 串口配置需要 TX引脚配置推挽输出，能够能主动拉高和拉低电压

• RX引脚需要配置不上拉以及不下拉的状态，此时才能正常通信

1.3.配置串口

• MX_USART2_UART_Init 函数内部部分代码

huart2.Instance = USART2;
huart2.Init.BaudRate = 1000000;               // 波特率
huart2.Init.WordLength = UART_WORDLENGTH_8B;  // 字节长度
huart2.Init.StopBits = UART_STOPBITS_1;       // 停止位
huart2.Init.Parity = UART_PARITY_NONE;       // 校验方式，这里不采取校验
huart2.Init.Mode = UART_MODE_TX_RX;          // 设置串口的工作模式，同时启用接收和发送
huart2.Init.HwFlowCtl = UART_HWCONTROL_NONE;  // 设置是否启用硬件流方式
huart2.Init.OverSampling = UART_OVERSAMPLING_16;  // 设置过采样方式，分8倍和16倍
if (HAL_UART_Init(&huart2) != HAL_OK)
{
Error_Handler();
}

• 过采样方式分为两种，8倍和16倍，F1只支持16倍，与8倍相比，16倍的精度较低，因为采样次数多，所以分布范围较广，容易受到干扰，而8位则不易受到干扰

  • 同时8倍支持的波特率也更加高，波特率公式为：f_CLK / (16 × USARTDIV), f_clk为时钟源，USARTDIV为分频系数，不同的分频系数对应不同的波特率，波特率也通常为8或者16的倍数，不易受干扰

• 硬件流相当于在通信的过程中加入应答机制，发送的时候主动提醒对方需要接收数据，但是一般配置的异步发送模式不会自动配置硬件流，且硬件流需要通信双方都开启，否则无法通信

• 开发过程一般不开启校验，仅能检测单个bit的错误，且大多数串口通信的传感器默认不开启，同时由于每次通信增加一个bit位，间接降低了性能

• HAL_UART_Init 函数的内部实现

  HAL_StatusTypeDef HAL_UART_Init(UART_HandleTypeDef *huart)
  {
    /* Check the UART handle allocation */
    if (huart == NULL)
    {
      return HAL_ERROR;
    }
  
    /* Check the parameters */
    if (huart->Init.HwFlowCtl != UART_HWCONTROL_NONE)
    {
      /* The hardware flow control is available only for USART1, USART2 and USART3 */
      assert_param(IS_UART_HWFLOW_INSTANCE(huart->Instance));
      assert_param(IS_UART_HARDWARE_FLOW_CONTROL(huart->Init.HwFlowCtl));
    }
    else
    {
      assert_param(IS_UART_INSTANCE(huart->Instance));
    }
    assert_param(IS_UART_WORD_LENGTH(huart->Init.WordLength));
  #if defined(USART_CR1_OVER8)
    assert_param(IS_UART_OVERSAMPLING(huart->Init.OverSampling));  // 过采样方式数据检查
  #endif /* USART_CR1_OVER8 */
  
    if (huart->gState == HAL_UART_STATE_RESET)
    {
      /* Allocate lock resource and initialize it */
      huart->Lock = HAL_UNLOCKED;
  
  #if (USE_HAL_UART_REGISTER_CALLBACKS == 1)
      UART_InitCallbacksToDefault(huart);
  
      if (huart->MspInitCallback == NULL)
      {
        huart->MspInitCallback = HAL_UART_MspInit;
      }
  
      /* Init the low level hardware */
      huart->MspInitCallback(huart);
  #else
      /* Init the low level hardware : GPIO, CLOCK */
      HAL_UART_MspInit(huart);
  #endif /* (USE_HAL_UART_REGISTER_CALLBACKS) */
    }
  
    huart->gState = HAL_UART_STATE_BUSY;
  
    /* Disable the peripheral */
    __HAL_UART_DISABLE(huart);
  
    /* Set the UART Communication parameters */
    UART_SetConfig(huart);
  
    /* In asynchronous mode, the following bits must be kept cleared:
       - LINEN and CLKEN bits in the USART_CR2 register,
       - SCEN, HDSEL and IREN  bits in the USART_CR3 register.*/
    CLEAR_BIT(huart->Instance->CR2, (USART_CR2_LINEN | USART_CR2_CLKEN));
    CLEAR_BIT(huart->Instance->CR3, (USART_CR3_SCEN | USART_CR3_HDSEL | USART_CR3_IREN));
  
    /* Enable the peripheral */
    __HAL_UART_ENABLE(huart);
  
    /* Initialize the UART state */
    huart->ErrorCode = HAL_UART_ERROR_NONE;
    huart->gState = HAL_UART_STATE_READY;
    huart->RxState = HAL_UART_STATE_READY;
    huart->RxEventType = HAL_UART_RXEVENT_TC;
  
    return HAL_OK;
  }
  

  • assert_param 这个函数是为了检查写入寄存器数据的合理性

  • 首先检查句柄是否为NULL

  • 判断是否启用硬件流通信

  • 然后检查参数，波特率、数据位、停止位、校验位

  • 检查过采样方式是否为8倍，否则默认16倍

  • 继续判断是否为首次初始化，如果首次初始化会开启锁资源的初始化

    • 在内部判断是否开启中断回调，然后开始调用 HAL_UART_MspInit() 进行底层硬件初始化，将GPIO的时钟和配置进行初始化，即配合这个串口的复用资源初始化
    • huart->gState = HAL_UART_STATE_BUSY; 设置 UART 状态为 BUSY，开始初始化
    • __HAL_UART_DISABLE(huart); 在配置寄存器前先关闭 UART 外设,放置外设干扰
    • UART_SetConfig(huart); 将预设好的通信参数设置进去

  • 消除不适用的模式，如 LIN、同步模式、IrDA 等

  • 然后使能外设 __HAL_UART_ENABLE(huart);

  • huart->ErrorCode = HAL_UART_ERROR_NONE;
    huart->gState = HAL_UART_STATE_READY;
    huart->RxState = HAL_UART_STATE_READY;
    huart->RxEventType = HAL_UART_RXEVENT_TC;
    

    • 设置 UART 当前状态为就绪，错误码为无错误

• 整体的函数设计逻辑为：

MX_UARTx_UART_Init()  // 应用层初始化
     ↓
HAL_UART_Init()      //  通用外设配置（波特率/数据位/校验位等）
     ↓
   UART_SetConfig()
     ↓
   HAL_UART_MspInit() ← 用户实现  MCU特定的引脚/时钟配置（需用户实现）

1.4.串口大体原理

• 异步串行通信协议

• 异步传输：无需时钟信号同步

• 点对点通信：仅需TX（发送）、RX（接收）两根线

• 帧结构传输：数据以固定格式的帧为单位传输

• 波特率同步：通信双方需约定相同的传输速率

初始化流程里面不包含中断，DMA的串口传输初始化

这里是作者对于串口在HAL库内部的大体初始化流程的一些认识，适用于新手初次学会调用API，想要了解底层驱动的初始化，同时文章内容可能会有错误，不足之处，望指正