如何實現(xiàn)USART串口通信

　　串口通訊（Serial Communication）是一種設(shè)備間非常常用的串行通訊方式，因為它簡單便捷，大部分電子設(shè)備都支持該通訊方式，電子工程師在調(diào)試設(shè)備時也經(jīng)常使用該通訊方式輸出調(diào)試信息。

　　在計算機(jī)科學(xué)里，大部分復(fù)雜的問題都可以通過分層來簡化。如芯片被分為內(nèi)核層和片上外設(shè)；STM32標(biāo)準(zhǔn)庫則是在寄存器與用戶代碼之間的軟件層。對于通訊協(xié)議，我們也以分層的方式來理解，最基本的是把它分為物理層和協(xié)議層。物理層規(guī)定通訊系統(tǒng)中具有機(jī)械、電子功能部分的特性，確保原始數(shù)據(jù)在物理媒體的傳輸。協(xié)議層主要規(guī)定通訊邏輯，統(tǒng)一收發(fā)雙方的數(shù)據(jù)打包、解包標(biāo)準(zhǔn)。

　　物理層：

　　串口通訊的物理層有很多標(biāo)準(zhǔn)及變種，我們主要講解 RS-232 標(biāo)準(zhǔn) ，RS-232標(biāo)準(zhǔn)主要規(guī)定了信號的用途、通訊接口以及信號的電平標(biāo)準(zhǔn)。

　　在上面的通訊方式中，兩個通訊設(shè)備的“DB9 接口”之間通過串口信號線建立起連接，串口信號線中使用“RS-232 標(biāo)準(zhǔn)”傳輸數(shù)據(jù)信號。由于 RS-232 電平標(biāo)準(zhǔn)的信號不能直接被控制器直接識別，所以這些信號會經(jīng)過一個“電平轉(zhuǎn)換芯片”轉(zhuǎn)換成控制器能識別的“TTL校準(zhǔn)”的電平信號，才能實現(xiàn)通訊。

　　在目前的其它工業(yè)控制使用的串口通訊中，一般只使用 RXD、TXD以及 GND 三條信號線，直接傳輸數(shù)據(jù)信號。而 RTS、CTS、DSR、DTR 及 DCD 信號都被裁剪掉了。

　　協(xié)議層：

　　串口通訊的數(shù)據(jù)包由發(fā)送設(shè)備通過自身的 TXD接口傳輸?shù)浇邮赵O(shè)備的 RXD 接口。在串口通訊的協(xié)議層中，規(guī)定了數(shù)據(jù)包的內(nèi)容，它由啟始位、主體數(shù)據(jù)、校驗位以及停止位組成，通訊雙方的數(shù)據(jù)包格式要約定一致才能正常收發(fā)數(shù)據(jù)。

　　串口異步通訊，異步通訊中由于沒有時鐘信號（如前面講解的 DB9接口中是沒有時鐘信號的），所以兩個通訊設(shè)備之間需要約定好波特率，即每個碼元的長度，以便對信號進(jìn)行解碼，上圖中的每一格就是代表一個碼元。常見的波特率為 4800、9600、115200等。

　　串口通訊的一個數(shù)據(jù)包從起始信號開始，直到停止信號結(jié)束。數(shù)據(jù)包的起始信號由一個邏輯 0的數(shù)據(jù)位表示，而數(shù)據(jù)包的停止信號可由 0.5、1、1.5或 2個邏輯 1的數(shù)據(jù)位表示，只要雙方約定一致即可。

　　在數(shù)據(jù)包的起始位之后緊接著的就是要傳輸?shù)闹黧w數(shù)據(jù)內(nèi)容，也稱為有效數(shù)據(jù)，有效數(shù)據(jù)的長度常被約定為 5、6、7或 8位長。

　　在有效數(shù)據(jù)之后，有一個可選的數(shù)據(jù)校驗位。由于數(shù)據(jù)通信相對更容易受到外部干擾導(dǎo)致傳輸數(shù)據(jù)出現(xiàn)偏差，可以在傳輸過程加上校驗位來解決這個問題。校驗方法有奇校驗（odd）、偶校驗（even）、0校驗（space）、1校驗（mark）以及無校驗（noparity）。上圖就是無校驗位的數(shù)據(jù)幀，在我日常使用中通常都配置成無校驗的模式。

　　STM32芯片具有多個USART外設(shè)用于串口通訊，它是Universal SynchronousAsynchronous Receiver and Transmitter的縮寫，即通用同步異步收發(fā)器可以靈活地與外部設(shè)備進(jìn)行全雙工數(shù)據(jù)交換。有別于 USART，它還有具有 UART 外設(shè)（Universal Asynchronous Receiver and Transmitter），它是在 USART基礎(chǔ)上裁剪掉了同步通信功能，只有異步通信。簡單區(qū)分同步和異步就是看通信時需不需要對外提供時鐘輸出，我們平時用的串口通信基本都是 UART。