UART工作原理

UART即通用異步收發(fā)器，是一種串行通信方式。數(shù)據(jù)在傳輸過程中是通過一位一位地進行傳輸來實現(xiàn)通信的，串行通信方式具有傳輸線少，成本底等優(yōu)點，缺點是速度慢。串行通信分為兩種類型：同步通信方式和異步通信方式。

但一般多用異步通信方式，主要因為接受和發(fā)送的時鐘是可以獨立的這樣有利于增加發(fā)送與接收的靈活性。異步通信是一個字符接著一個字符傳輸，一個字符的信息由起始位、數(shù)據(jù)位、奇偶校驗位和停止位組成。

每一個字符的傳輸靠起始位來同步，字符的前面一位是起始位，用下降沿通知收方開始傳輸，緊接著起始位之后的是數(shù)據(jù)位，傳輸時低位在前高位在后，字符本身由5～8位數(shù)據(jù)位組成。

數(shù)據(jù)位后面是奇偶校驗位，最后是停止位，停止位是用高電平來標記一個字符的結(jié)束，并為下一個字符的傳輸做準備。停止位后面是不同長度的空閑位。停止位和空閑位都規(guī)定為高電平，這樣可以保證起始位有一個下降沿。

UART的幀格式如圖：

UART的幀格式包括線路空閑狀態(tài)（idle，高電平）、起始位（start bit，低電平）、5～8位數(shù)據(jù)位（data bits）、校驗位（parity bit，可選）和停止位（stop bit，位數(shù)可為1、1.5、2位）。

往期相關(guān)推文：STM32串口通信基本原理

UART模擬原理

UART的模擬方式基本就是定時器+IO口實現(xiàn)。

方案1：只打印不接收

如果在實際使用中只是為了打印log而不接收數(shù)據(jù)，可以采用DWT加普通IO口的方式；

#define  VCOM_BOUND     115200#define  VCOM_PIN       GPIO_Pin_11#define  VCOM_PORT      GPIOA#define  VCOM_PIN_HIGH  VCOM_PORT->BSRR = VCOM_PIN#define  VCOM_PIN_LOW   VCOM_PORT->BRR  = VCOM_PIN#define  BSP_REG_DEM_CR                           (*(volatile unsigned int *)0xE000EDFC) //DEMCR寄存器#define  BSP_REG_DWT_CR                           (*(volatile unsigned int *)0xE0001000)   //DWT控制寄存器#define  BSP_REG_DWT_CYCCNT                       (*(volatile unsigned int *)0xE0001004) //DWT時鐘計數(shù)寄存器 #define  BSP_REG_DBGMCU_CR                        (*(volatile unsigned int *)0xE0042004)#define  DEF_BIT_00                               0x01u#define  DEF_BIT_24                               0x01000000u#define  BSP_BIT_DEM_CR_TRCENA                    DEF_BIT_24   #define  BSP_BIT_DWT_CR_CYCCNTENA                 DEF_BIT_00static unsigned int  sys_clock = 48000000;inline void dwt_start(void){
 BSP_REG_DEM_CR     |= (unsigned int)BSP_BIT_DEM_CR_TRCENA;
    BSP_REG_DWT_CYCCNT  = (unsigned int)0u;            //初始化CYCCNT寄存器
    BSP_REG_DWT_CR     |= (unsigned int)BSP_BIT_DWT_CR_CYCCNTENA;    //開啟CYCCNT }inline void dwt_stop(void){
 BSP_REG_DWT_CR = 0;
}void vcom_pin_init(void){ 
    GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;
    RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOA,ENABLE);
    GPIO_InitStructure.GPIO_Pin   = VCOM_PIN;
    GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_2MHz;
    GPIO_InitStructure.GPIO_Mode  = GPIO_Mode_Out_PP;
    GPIO_Init(VCOM_PORT, &GPIO_InitStructure);
    GPIO_SetBits(VCOM_PORT,VCOM_PIN);
 VCOM_PIN_HIGH;
}void vcom_put_char(char ch){ int i; int dat[8]; uint32_t sys_clk, bit_width; volatile uint32_t time_stamp;
 
    sys_clk = sys_clock/1000000;  
    bit_width = 1000000*sys_clk/VCOM_BOUND;    for(i=0; i<8; i++)           
    {        if(ch & 0x01)
            dat[i] = 1;        else
            dat[i] = 0; 
        ch >>= 1;
    }
    OS_CPU_SR cpu_sr;
    enter_critical();//以下代碼進行臨界保護,防止被中斷打斷造成發(fā)送誤碼
    dwt_start();
    VCOM_PIN_LOW; //發(fā)送起始位
 time_stamp = BSP_REG_DWT_CYCCNT; while(BSP_REG_DWT_CYCCNT < (time_stamp+bit_width))； for(i=0; i<8; i++)
 {  if(dat[i])
   VCOM_PIN_HIGH;  else
   VCOM_PIN_LOW;
  time_stamp = BSP_REG_DWT_CYCCNT;  while(BSP_REG_DWT_CYCCNT < (time_stamp+bit_width)); //發(fā)8bit 數(shù)據(jù)位
 }
 VCOM_PIN_HIGH;
 time_stamp = BSP_REG_DWT_CYCCNT; while(BSP_REG_DWT_CYCCNT < (time_stamp+bit_width));     //發(fā)停止位
 dwt_stop();
 exit_critical();
}void vcom_printf(const char *fmt, ...){    char buf[0x80];    int  i;
    va_list ap; memset(buf, 0x00, sizeof(buf));
    va_start(ap, fmt);
    vsnprintf(buf, sizeof(buf), fmt, ap); 
    va_end(ap); 
 
 i = 0; while(buf[i])
 {
  vcom_put_char(buf[i]);
  i++;
 }
}

方案2：半雙工UART

實現(xiàn)方式: 普通定時器+普通IO口中斷+fifo

/**
*軟件串口的實現(xiàn)(IO模擬串口)
* 波特率：9600    1-8-N
* TXD : PC13
* RXD : PB14
* 使用外部中斷對RXD的下降沿進行觸發(fā)，使用定時器4按照9600波特率進行定時數(shù)據(jù)接收。
* Demo功能: 接收11個數(shù)據(jù)，然后把接收到的數(shù)據(jù)發(fā)送出去
*/#define OI_TXD PCout(13)#define OI_RXD PBin(14)#define BuadRate_9600 100u8 len = 0; //接收計數(shù)u8 USART_buf[11];  //接收緩沖區(qū)enum{
 COM_START_BIT,
 COM_D0_BIT,
 COM_D1_BIT,
 COM_D2_BIT,
 COM_D3_BIT,
 COM_D4_BIT,
 COM_D5_BIT,
 COM_D6_BIT,
 COM_D7_BIT,
 COM_STOP_BIT,
};


u8 recvStat = COM_STOP_BIT;
u8 recvData = 0;void IO_TXD(u8 Data){
 u8 i = 0;
 OI_TXD = 0;  
 delay_us(BuadRate_9600); for(i = 0; i < 8; i++)
 {  if(Data&0x01)
   OI_TXD = 1;  
  else
   OI_TXD = 0;  
  
  delay_us(BuadRate_9600);
  Data = Data>>1;
 }
 OI_TXD = 1;
 delay_us(BuadRate_9600);
} 
void USART_Send(u8 *buf, u8 len){
 u8 t; for(t = 0; t < len; t++)
 {
  IO_TXD(buf[t]);
 }
} 
 void IOConfig(void)
 {
 GPIO_InitTypeDef  GPIO_InitStructure;
 NVIC_InitTypeDef NVIC_InitStructure;
 EXTI_InitTypeDef EXTI_InitStruct;
 RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_AFIO|RCC_APB2Periph_GPIOB|RCC_APB2Periph_GPIOC, ENABLE);  //使能PB,PC端口時鐘 
 
 //SoftWare Serial TXD
 GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_13;     
 GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_Out_PP;    //推挽輸出
 GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;   //IO口速度為50MHz  
 GPIO_Init(GPIOC, &GPIO_InitStructure);       
 GPIO_SetBits(GPIOC,GPIO_Pin_13);       
  
  
 //SoftWare Serial RXD
 GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_14;
 GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_IPU;
 GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;  
 GPIO_Init(GPIOB, &GPIO_InitStructure);  
 
 GPIO_EXTILineConfig(GPIO_PortSourceGPIOB, GPIO_PinSource14);
 EXTI_InitStruct.EXTI_Line = EXTI_Line14;
 EXTI_InitStruct.EXTI_Mode=EXTI_Mode_Interrupt;
 EXTI_InitStruct.EXTI_Trigger=EXTI_Trigger_Falling; //下降沿觸發(fā)中斷
 EXTI_InitStruct.EXTI_LineCmd=ENABLE;
 EXTI_Init(&EXTI_InitStruct);


 NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannel= EXTI15_10_IRQn ; 
 NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelPreemptionPriority=2; 
 NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelSubPriority =2;  
 NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelCmd=ENABLE;  
 NVIC_Init(&NVIC_InitStructure);  
 
} 
void TIM4_Int_Init(u16 arr,u16 psc){
 TIM_TimeBaseInitTypeDef  TIM_TimeBaseStructure;
 NVIC_InitTypeDef NVIC_InitStructure;
 
 RCC_APB1PeriphClockCmd(RCC_APB1Periph_TIM4, ENABLE); //時鐘使能
 
 //定時器TIM4初始化
 TIM_TimeBaseStructure.TIM_Period = arr; //設(shè)置在下一個更新事件裝入活動的自動重裝載寄存器周期的值 
 TIM_TimeBaseStructure.TIM_Prescaler =psc; //設(shè)置用來作為TIMx時鐘頻率除數(shù)的預(yù)分頻值
 TIM_TimeBaseStructure.TIM_ClockDivision = TIM_CKD_DIV1; //設(shè)置時鐘分割:TDTS = Tck_tim
 TIM_TimeBaseStructure.TIM_CounterMode = TIM_CounterMode_Up;  //TIM向上計數(shù)模式
 TIM_TimeBaseInit(TIM4, &TIM_TimeBaseStructure); //根據(jù)指定的參數(shù)初始化TIMx的時間基數(shù)單位
 TIM_ClearITPendingBit(TIM4, TIM_FLAG_Update);
 TIM_ITConfig(TIM4,TIM_IT_Update,ENABLE ); //使能指定的TIM3中斷,允許更新中斷
 
 //中斷優(yōu)先級NVIC設(shè)置
 NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannel = TIM4_IRQn;  //TIM4中斷
 NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelPreemptionPriority = 1;  //先占優(yōu)先級1級
 NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelSubPriority = 1;  //從優(yōu)先級1級
 NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelCmd = ENABLE; //IRQ通道被使能
 NVIC_Init(&NVIC_InitStructure);  //初始化NVIC寄存器    } 
 
 int main(void)
 {  
 NVIC_PriorityGroupConfig(NVIC_PriorityGroup_2);//設(shè)置中斷優(yōu)先級分組為組2：2位搶占優(yōu)先級，2位響應(yīng)優(yōu)先級
 delay_init();
 IOConfig();
 TIM4_Int_Init(107, 71);  //1M計數(shù)頻率
 
 while(1)
 {  if(len > 10)
  {
   len = 0;
   USART_Send(USART_buf,11);
  }
 }
}void EXTI15_10_IRQHandler(void){ if(EXTI_GetFlagStatus(EXTI_Line14) != RESET)
 {  if(OI_RXD == 0) 
  {   if(recvStat == COM_STOP_BIT)
   {
    recvStat = COM_START_BIT;
    TIM_Cmd(TIM4, ENABLE);
   }
  }
  EXTI_ClearITPendingBit(EXTI_Line14);
 }
}void TIM4_IRQHandler(void){  
 if(TIM_GetFlagStatus(TIM4, TIM_FLAG_Update) != RESET)
 {
  TIM_ClearITPendingBit(TIM4, TIM_FLAG_Update); 
  recvStat++;  if(recvStat == COM_STOP_BIT)
  {
   TIM_Cmd(TIM4, DISABLE);
   USART_buf[len++] = recvData; 
   return;
  }  if(OI_RXD)
  {
   recvData |= (1 << (recvStat - 1));
  }else{
   recvData &= ~(1 << (recvStat - 1));
  } 
 }  
}