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文章以STM32F103ZET6芯片为例来介绍

建议先看一下这一篇博客了解UART与USART串口通信的波特率与帧格式

嵌入式：深刻理解UART与USART串口通信的波特率与帧格式-CSDN博客本文以STM32F103ZET6为例，详细解析UART/USART串口通信原理，详细介绍了波特率，USART帧格式之间的关系https://blog.csdn.net/2401_88433210/article/details/163637426?spm=1011.2415.3001.10575&sharefrom=mp_manage_link

一、USART 简化原理结构图

前面若干章，讨论的都是 USART 的通信协议特性，下面把重点放在 STM32 单片机中，关于 USART 的功能结构中，即重点放在 USART 硬件功能构成和如何发出 USART 数据帧上。

• STM32 的 USART 完全兼容之前讲解的 UART 的全部特性。
• 除此之外它还支持同步单向通信和半双工单线通信，也支持 LIN（局部互连网），智能卡协议和 IrDA（红外数据组织）SIR‑ENDEC 规范，以及调制解调器（CTS / RTS）操作，它还允许多处理器通信的能力。总之 STM32 的 USART 有丰富的扩展功能。

如果我们要看到 USART 功能框图，在《STM32F10xxx 参考手册》通用同步异步收发器 (USART) 章节可以看到。

如上图所示是 STM32 的 USART 的功能框图，其中各部分的主要功能如下：

1. 图中 ① 标识区域是 USART 相关的管脚；
2. 图中 ② 标识区域是 USART 波特率控制相关；
3. 图中 ③ 标识区域是 USART 控制寄存器相关；
4. 图中 ④ 标识区域是 USART 状态寄存器相关；
5. 图中 ⑤ 标识区域是 USART 数据收、发相关核心功能框图；
6. 图中 ⑥ 标识区域在 IrDA（红外模式）和智能卡模式下才会使用。

该图所示的功能模块，对于萌新而言太过庞杂。对于仅使用 USART 标准通信功能而言最核心的就是图中 ⑤ 标识的区域部分，我们只把 ⑤ 标识的区域部分拿出来进行简化。

简化结构图：

1. 当用户将待发送的字节数据写入到数据寄存器（USART_DR / TDR）中，USART 控制器会首先把 TDR 的数据平移至发送移位寄存器，然后 USART 的发送控制器，就会将发送移位寄存器中的数据，自动按照数据位通过 Tx 管脚依次发送出去。

2. USART 控制器会通过 Rx 管脚依次接收收到的数据位到接收移位寄存器，当接收完一个数据段（8 / 9 位）时，会自动将接收移位寄存器中的数据，平移拷贝到数据寄存器（USART_DR / RDR）中。后续用户从数据寄存器（USART_DR / RDR）读取数据，就能得到最近一次接收到的数据字节。

在这里，我们正式认识两个 USART 寄存器，分别是：

• 发送寄存器 TDR（Transmit Data Register）
• 接收寄存器 RDR（Receive Data Register）

其中，发送和接收移位寄存器，在 USART 硬件单元内部，对用户不可见。

❓注意： 这里除了 TDR，和 RDR，我们把 USART 的其他模块当成黑盒的，整个拷贝移动，移位发送和移位接收，都是 USART 模块自己完成的

二、理解 CPU 读写 TDR 和 RDR

这两个寄存器属于 USART 模块内部，而其中 STM32F103ZET6 有 5 个串口模块，每一个都有一套独立的寄存器结构，我们以 USART1 为例。

在 STM32F103ZET6 当中，片上外设寄存器全部映射至 CPU 内存地址空间、统一编址。 CPU 可以直接操作地址，读写 TDR 发送寄存器、RDR 接收寄存器，之后由 USART 硬件自主完成收发工作。

上图可知，USART1 的地址范围是：0x4001 3800 − 0x4001 3BFF

该地址范围是 0x4001 3800 到 0x4001 3BFF。

• USART1 拥有的范围大小：结束地址 − 起始地址 + 1
• 0x4001 3BFF − 0x4001 3800 + 1 = 0x3FF + 1 = 0x400（十六进制）
• 将 0x400 转换为十进制：1024 字节。

所以，这个地址空间一共是 1024 字节，也就是 1KB。

• 注意：虽然 CPU 内核只为 USART1 分配了 1KB 的地址空间，但实际使用的只有最开头的很少一部分。后续的地址是保留的，访问它们可能产生不可预知的行为。

而后续 USART1 中，寄存器一共有 7 个 (暂时不管是什么，我们也不需要全部熟悉，需要的时候查就行了)，其中每一个寄存器都有一个偏移量地址，最终访问任何一个寄存器，访问方式都是： 0x4001 3800 + 寄存器偏移。

这样，每个寄存器的地址清单就是：

有了这些地址，CPU 就可以直接访问任意一个寄存器，包括我们的数据寄存器 DR。

而的 STM32F103ZET6 系列单片机，内部包含 5 个串口模块，每一个都有自己的地址范围：

串口模块详细地址清单

主要差别

• APB2：高速外设总线，USART1 挂载于此，通常运行在最高 72MHz
• APB1：低速外设总线，其余串口挂载于此，最高频率 36MHz
• 有的是 USART（支持同步、异步）有的是 UART（仅异步）注意区分

TDR 与 RDR

OK，现在我们理清了 USART 寄存器方面的思路，知道 CPU 核心可以直接通过物理地址访问任意一个 USART 寄存器。

⚠️注意：

• CPU 能访问 USART 内部的寄存器，那么是谁让 CPU 访问这些寄存器的呢？
• 答案是：CPU 执行的是你未来写的代码，你的代码写了要访问寄存器的指令，那么 CPU 才去访问的，换句话说：CPU 访问 USART 寄存器，就是程序员让 CPU 访问的，CPU 控制 USART，人控制 CPU，编程的本质之一，就是指导 CPU 工作。

• 在物理上，USART_DR 寄存器有两个，一个是 TDR，一个是 RDR 分别让用户来发和收数据

• 这两个寄存器被映射到了同一个物理地址，但是官方没有披露具体是怎么做到访问同一个地址，从而做到访问不同寄存器，我们可以推测通过操作类型 (rw) 来区分要访问哪一个寄存器。

• rw : 寄存器中特定的比特位具有 read 和 write 权限

• 地址偏移，结合上面的内容，该字段很容易理解。

• 虽然 USART_DR 寄存器是 32 位的，但是实际使用的只有 9 位，因为 USART 可编程数据位最多是 9 位。

三、USART发送标志位介绍

当发送方要发送数据，主要过程分为：

• 用户把数据拷贝到 TDR
• 然后你就别管了，USART 自己移动到移位寄存器，然后再时钟的驱使下，开始进行发送，也就是 USART 发送对用户来讲是黑盒的

可是： USART 发送不是一蹴而就的，而是一步一步发的，那么万一在发送期间，用户又往 TDR 写数据了，会发生什么问题？

场景 1：只要 TDR 有数据，USART 就要移动到移位寄存器，如果没发完，数据覆盖，错误

场景 2：USART 把自己的数据发完 && TDR 还有数据，USART 再移动到移位寄存器，再发。USART 真实采用的是这种情况。但是，潜台词是：用户的数据，会因为 USART 在忙，而暂时保存在 TDR 中，可是，这个过程对用户来讲都是透明的，用户又不知道！用户写完到 TDR，如果再写，就自己把自己的数据覆盖了。

可是，无论是场景 1，还是场景 2，用户不管啊，用户又不知道 USART 有没有发完，如果覆盖了，这个锅谁背啊？肯定是 USART，要是 TDR 我不能写，USART 你得告诉我啊。 所以，USART 在自己的收发过程中，必须要提供自己收发状态的信息，这部分信息，叫做 USART 的状态寄存器 (USART_SR：USART Status Register),可以预言，该寄存器内部，一定有标志位来表明用户是否可以写入 TDR 的寄存器。

USART 发送状态信息，由这 10 个标志位标识，《STM32F103xx 参考手册》看到所有标志位信息。但是现在没必要，需要再查，现在我们只需要关心的是两个标志位：

这两个标志位与发送有关。

• TXE (Transmit data registerempty) 目前需要关注的是：当 TDR 寄存器中的数据被 USART 硬件模块转移到移位寄存器的时候，该为被硬件设置为 1，潜台词就是，用户需要检测这个比特位，当 TXE 是 1 的时候，表明 TDR 空了，用户才可以写。这样 USART 数据覆盖的锅，甩给了用户，从此丰俭由人。 对 USART_DR 进行写入，TXE 会自动清 0。这句话的潜台词就是，用户发现 TXE 是 1，表明 TDR 空了，用户可以写，用户写入，TXE 清零，表明 TDR 正在被占用，请勿在写。

• TC (Transmissioncomplete) 目前需要关注的是：当包含有数据的一帧发送完成之后并且 TXE = 1（TDR 为空），USART 硬件模块会自动将该位设置为 1。

• rc: 通常代表 "Read‑Clear"。这表示是一个 “读取并清除” 的操作

• wz: 代表 "Write Zero"。这表示向某个寄存器写入 0。向该位写 0 来清除标志；写 1 则无影响（这是 STM32 的标准做法）

• r: 代表 "Read"。这表示一个读取操作

阻塞模式发送

之前我们讲述的发送过程，就是要求用户，发送数据的时候，必须对 TXE 进行检测，如果TXE==0，表示 TDR 数据，并没有平移到发送移位寄存器，那么用户就必须阻塞在检测 TXE 标志位的位置处，进行等待，这种模式就叫做阻塞式发送。

在用户角度，如果使用阻塞模式进行数据发送一个或者多个数据之后，怎么知道 USART 彻底把数据发送出去（发送移位寄存器和 TDR 都为空）？如下图中 ③ 标识的区域是 TC 标志被置 1 时，表示要发送的数据已全部发送完成，这时如果还有待发送的数据就可以进行发送。

四、USART接收标志位介绍

当接收方要接收数据，主要过程分为：

• 在时钟的驱使下 USART 自己识别起始位，接受数据，移动数据到移位寄存器，识别结束位，判定接受一个数据帧结束，自动校验，校验成功自动将数据位平移到 RDR 寄存器
• 用户只需要读取 RDR 寄存器中的数据即可

注意：

• 根据之前的内容我们知道，用户是可以直接用物理地址读取 RDR 的，所以读取 RDR 并不困难

可是：

用户怎么知道 RDR 内部，已经有数据了呢？ USART 需要有方式，能表示 RDR 寄存器的状态，类似发送，接收的时候，也是状态寄存器 USART_SR 来标识接收状态，其中，RXNE 标志位就是完成该项工作的。

在 UART 数据接收过程中：

状态寄存器 (USART_SR)

• 当 RDR 寄存器中没有数据的时候，RXNE 标志位被设置为 0
• 当 RDR 寄存器中有数据的时候，RXNE 标志位被设置为 1
• RXNE: Read data register not empty

如下图中 ①②③ 标识的区域是 RXNE 标志，表示读数据寄存器非空 (Read data register not empty)。当接收移位寄存器中的数据被转移到 USART_DR 寄存器中，该位被硬件自动置位。对 USART_DR 寄存器的读操作可以将该标志位清零。

所以，当 USART 在接受数据期间，那么用户就应该一直检测 RXNE 标志位，只要该标志位一直是 0，那么用户就应该一直阻塞在检测的位置，直到 RXNE == 1 表示有数据了，才能读取。

阻塞模式接收

如果使用阻塞模式进行数据接收，程序需要轮询判断如下图所示的 ①②③ 的 RXNE 标志，主要逻辑如下：

1. RXNE 标志被置 0，表示暂时没有数据，要求用户轮训检测该标志位，标志位为 0，就有一直阻塞在这里。
2. 收到数据，RXNE 标志被置 1，表示接收到 1 字节数据，用户将读到的数据，保存到自己定义内存区域，读取的时候，会自动触发清除 RXNE 标志，然后继续检测 RXNE ，等待接收下一个数据。
3. 达到期望接收的数据个数或等待数据超时，退出本次阻塞模式接收流程。