嵌入式开发必备：深入理解USART通信协议

在嵌入式系统开发中，通信是至关重要的一部分。在电赛中，我们往往会用到STM32开发板、CanMV开发板、树莓派等板载计算机，他们之间要进行数据的交换就必须进行通信。而USART(通用同步 / 异步收发传输器)作为一种常见的串行通信接口，广泛应用于各种设备之间的数据传输。本文将详细介绍USART的工作原理、特点，并给出基于STM32单片机的代码实现示例。

简单介绍一下USART：

USART：Universal Synchronous Asynchronous Receiver Transmitter，即通用同步异步收发器。其核心功能是实现串行通信，它支持同步通信(需要时钟信号同步)和异步通信(无需时钟信号，依赖波特率同步)。

与UART的区别：

UART：Universal Asynchronous Receiver Transmitter，即通用异步收发器，仅支持异步通信。

USART 比 UART 多一个同步时钟输出功能(对应引脚 CLK)，可在通信中提供时钟信号。实际应用中，由于串口通信极少使用同步模式，USART与UART在异步模式下可视为等价的，硬件驱动和配置流程基本一致。

USART的特性：

可以灵活切换通信模式：

异步模式：
- 无需时钟信号，双方通过波特率约定数据传输的速率。
- 数据帧包含起始位、数据位、校验位(可选)、停止位，通过 TX/RX 引脚完成收发。
同步模式:
- 通过CLK引脚输出时钟信号，用于同步发送方和接收方的时序。
- 时钟频率与波特率一致，可兼容SPI等需要时钟的协议，但仅支持时钟输出，不支持输入，因此无法实现两个USART设备间的同步通信。

硬件可自动处理

数据帧的生成与解析
- 发送时，自动将数据寄存器(TDR)中的字节转换为符合协议的波形(如添加起始位、停止位)，通过TX引脚输出。
- 接收时，自动从RX引脚读取波形，按协议解析为字节数据存入接收寄存器(RDR)。
双缓存机制
- 发送端：TDR(写缓冲)与发送移位寄存器配合，允许连续写入数据，提升传输效率。
- 接收端：RDR(读缓冲)与接收移位寄存器配合，避免数据丢失。

可配置参数

波特率：最高支持 4.5 Mbps，通过内部波特率发生器（分频器）配置。
- 数据位长度：8 位（无校验）或 9 位（含 1 位奇偶校验位）。
- 停止位长度：0.5/1/1.5/2 位，常用 1 位。
- 校验方式：无校验、奇校验、偶校验。

USART工作原理：

数据传输路径：

发送路径：

流程：CPU（并行数据） -> 移位寄存器 -> GPIO引脚（串行位流）

写入数据寄存器 (TDR)
- CPU 或 DMA 控制器通过内部数据总线，将 8 位或 9 位的并行数据写入 发送数据寄存器 (TDR)。
- 注意：此时数据暂存在 TDR 中。
传输至移位寄存器
- 当发送移位寄存器为空（上一个数据发送完毕）时，TDR 中的数据会自动被硬件转移到发送移位寄存器中。
- 一旦数据转移完成，状态寄存器中的 TXE (发送数据寄存器空) 标志置 1，提示 CPU 可以写入下一个数据了（实现了双缓冲，提高了效率）。
串行移位输出
- 发送控制器根据配置的波特率产生时钟。
- 在时钟驱动下，发送移位寄存器将数据逐位向右（或向左）移动。
- 协议处理：硬件会自动在数据位前面插入起始位，在后面插入校验位（如果启用）和停止位。
输出引脚 (TX)
- 最终，处理好的完整帧（起始位+数据+校验+停止位）以串行位流的形式，通过 TX 引脚 输出到外部设备。

接收路径：

流程：GPIO引脚（串行位流） -> 移位寄存器 -> 数据寄存器 (RDR) -> CPU

输入引脚 (RX) 采样
- 外部设备将串行数据发送到 RX 引脚。
- USART 的接收控制器根据波特率（通常是波特率的 16 倍或 8 倍频率）对 RX 引脚进行采样，以检测起始位的到来并同步时序。
移位寄存器组装
- 检测到起始位后，接收移位寄存器开始在时钟控制下，逐位采集 RX 引脚上的电平（0 或 1）。
- 协议处理：硬件会自动剥离起始位和停止位，并进行校验位检查（如果启用）。
传输至数据寄存器 (RDR)
- 当一个完整的数据帧（8 或 9 位数据）全部移入接收移位寄存器后，该数据会被并行转移到 接收数据寄存器 (RDR) 中。
- 此时，状态寄存器中的 RXNE (接收数据寄存器非空) 标志置 1，同时可能会触发中断通知 CPU 读取数据。
CPU 读取
- CPU 或 DMA 控制器通过内部总线读取 RDR 中的数据。
- 读取完成后，RXNE 标志自动清零，等待下一次接收。