本文介绍了在 Cortex-A7 上进行 UART 串口实验的过程。包括 GPIO 章节中的两个复用功能寄存器，UART/USART 的功能框图，数据发送和接收流程，以及各个寄存器的设置方法和作用。实验一和实验二分别为在键盘输入一个字符或字符串，然后在串口工具上进行显示。
1. UART和USART串口2. 串口的连接方式2.1 直连方式2.2 usb 转串口连接方式2.3 ST-LINK 仿真器连接方式3. 串口的通信协议3.1 串口常用配置3.2 串口通信协议4. 分析电路图5. 分析框图6. 分析 RCC 章节7. 分析 GPIO 章节7.1 GPIO_xMODER 寄存器7.2 GPIOx_AFRL 寄存器和 GPIOx_AFRH 寄存器8. 分析 UART 章节8.1 功能框图8.2 数据发送流程8.3 数据接收流程8.4 USART_CR1 寄存器8.5 USART_CR2 寄存器8.6 USART_BRR寄存器8.7 USART_TDR 寄存器8.8 USART_PRESC 寄存器8.9 USART_ISR 寄存器9. 实验一10. 实验二
1. UART和USART串口
总线的概念- UART(Universal Asynchronous Receiver/Trainsmitter) 通用异步收发传输器
- USART(Universal Asynchronous/Asychronous Receiver/Trainsmitter) 通用同步/异步收发传输器
- 都是串行通信接口
2. 串口的连接方式
2.1 直连方式
2.2 usb 转串口连接方式
RS232电平： 高电平：-----> + 5v 低电平：-----> + 0v TTL电平： 高电平：-----> +15v ~ +3v 低电平：-----> -15v ~ -3v
2.3 ST-LINK 仿真器连接方式
- 仿真器的作用：完成 USB 口和串口之间的切换
- 在 ST-LINK 仿真器内部有一个 STM32F103 芯片，在这个芯片内固化了一段代码，这段代码完成 USB 口和串口之间的转换
3. 串口的通信协议
3.1 串口常用配置
下图为 SecureCTR 程序连接串行设备的配置界面：
- 串口采用的是串行通信方式：因为收发数据时，一个时钟周期，只能收发一位数据
- 串口常用配置信息：
- 波特率：
115200单位 bps （比特率、 二进制/秒、比特/秒） - 含义：串口通信时，传输的速率，
1s钟可以传输115200bit数据 115200的倒数代表传输每位数据需要的时间- 数据位：
8位数据位 - 校验位：没有
- 停止位：
1位
3.2 串口通信协议
- 空闲态：总线处于高电平状态，
UART总线不在传输数据时，总线就处于空闲状态
- 起始信号：总线处于低电平状态，开始发送数据的标志
- 数据位：总线处于高/低电平状态，要看实际发送的数据，先发送低位，再发送高位
- 校验位（奇校验/偶校验）
- 奇校验：数据位和校验位 1 的个数为奇数
- 假设发送数据
0x55，校验位：1 - 假设发送数据
0x51，校验位：0 - 偶校验：数据位和校验位 1 的个数位偶数
- 假设发送数据
0x55，校验位：0 - 假设发送数据
0x51，校验位：1 - 实际开发中很少使用校验位，因为会占用掉 1 帧数据影响传输的速率
- 终止信号：发送数据结束，校准时钟信号
思考：一帧数据发送完成后，为什么需要校准时钟信号？
- 因为串口采用的是异步通信方式，双方都有自己独立的时钟源，需要设置双方时钟源保持一致
- 但是在发送数据后，每发送完一帧数据，都会产生误差，越往后误差越大，发送或者接收数据不准确
- 所以每发送完一帧数据，需要校准时钟源
4. 分析电路图
从FSMP1A主板的丝印上的
J12 找到对应的原理图：
- 上图中，最右边的 1,2,3 对应的是 TXD，RXD 和 GND
- 最左边是网络标号
UART4_TX和UART4_RX
通过网络标号，找到它们的引脚分别是
PB2 和 PG115. 分析框图
- （RCC 章节）需要通过 RCC 使能
GPIOG，GPIOB以及UART4控制器
- （GPIO 章节）需要：
- 将引脚设置为复用功能模式
- 设置复用功能模式为串口模式
- （UART 章节）需要：
- 串口初始化相关工作
- 数据收发
6. 分析 RCC 章节
- 目的：通过
RCC使用GPIOG/GPIOE和UART4控制器
- 通过
2.5.2章节可知，RCC和GPIO组相关的控制器，通过『AHB4』总线与A7核相连
而
URAT 则通过 APB1 总线和 A7 核相连：
通过
AHB4 总线的部分，可以知道它们的基地址分别是：GPIOG：0x50008000
GPIOB：0x50003000
RCC:0x50000000
通过
APB1 总线的部分，可以知道 UART 的基地址为 0x40010000
使用
AHB4 的使能寄存器 AHB4ENSETR，将 GPIOB，GPIOE 和 RCC 控制器使用：RCC的基地址是0x5000_0000偏移后为0x5000_0A28为该寄存器地址
- 因为需要使用这两个
GPIOB和GPIOE所以，将第 1 和第 6 位设置为 1
- 同理，在
APB1的使能寄存器中APB1ENSETR，启用UART4控制器： - 它的地址是
RCC基地址 + 偏移量 = 0x5000_0000 + 0xA00 = 0x5000_0A00
- 将它的第 16 位设置为 1 使用
UART4控制器
7. 分析 GPIO 章节
目的：将引脚设置为复用功能模式，设置复用功能模式为串口模式
7.1 GPIO_xMODER 寄存器
- 该寄存器为端口模式寄存器，作用设置 GPIO 引脚模式
- 第一步：确定地址
GPIOB_MODER地址 = GPIOB基地址 + 偏移地址 = 0x5000_3000 + 0x00 = 0x5000_3000GPIOG_MODER地址 = GPIOG基地址 + 偏移地址 = 0x5000_8000 + 0x00 = 0x5000_8000
- 第二步：通过
GPIOB_MODER寄存器设置PB2引脚为复用功能模式： GPIOB_MODER[5:4] = 0b100x5000_3000[5:4] = 0b10
- 第三步：通过
GPIOG_MODER寄存器设置PG11引脚为复用功能模式： GPIOG_MODER[23:22] = 0b100x50008000[23:22] = 0b10
7.2 GPIOx_AFRL 寄存器和 GPIOx_AFRH 寄存器
- Alternative Function (AF)
- 复用功能选择寄存器有两个，分别是
GPIOx_AFRL和GPIOx_AFRH，因为每个引脚需要通过 4 位进行设置，所以分低（引脚0-7）和高（引脚8-15）
寄存器允许写入的数据如下：
- 至于需要填入的 AF 编号，需要参考 DS12504-STM32MP157 的 datasheet 文档
- 在上述文档的第四章节的『引脚描述和功能复用』中的 Table.9 找到 引脚 PB2 行，找到表中的
UART4_RX功能，可以看到它属于AF8一列，所以我们需要在上述的GPIOB_AFRL寄存器中填入AF8对应的0b1000
同理，在
GPIOx_AFRH 部分的文档中，我们需要修改的是 12-15 四个位：
在 DS12504 文档第四章中找到对应的
AF 编号：
返回寄存器文档，查看需要填入的四位：
总结
GPIO_xMODER修改引脚功能，GPIOx_AFRL和GPIOx_AFRH寄存器修改引脚对应的复用功能
- 为什么
GPIO章节中有两个复用功能寄存器？ - 因为每个 GPIO 有 16 个引脚编号
GPIOx_AFRL寄存器每 4 位管理一个引脚，一个寄存器 32 位
GPIOx_AFRL寄存器设置GPIOB_AFRL = 基地址 + 偏移地址 = 0x5000_3000 + 0x20 = 0x5000_3020GPIOB_AFRL[11:8] = 0b1000
GPIOx_AFRH寄存器设置GPIOB_AFRH = 基地址 + 偏移地址 = 0x5000_8000 + 0x20 = 0x5000_8020GPIOB_AFRH[12:15] = 0b0110
8. 分析 UART 章节
对应 RM0436 文档第 53 章节
8.1 功能框图
分析 UART/USART 的框图：
8.2 数据发送流程
在 53.5.5 USART transmitter 章节，可以找到 Character transmission procedure
- 上面截图删除了目前实验用不到的过程
- 配置的参数参考 📝串口的通信协议#串口常用配置
总结
USART_CR1寄存器设置数据位的宽度，设置串口使能，设置TE位使能
USART_CR2寄存器设置停止位
USART_BRR寄存器设置波特率
USART_TDR寄存器串口发送数据
- 标志位（用来读取检查，不是用来设置）：
TXE：数据有没有写到发送数据寄存器中TC：一帧数据是否发送完成
8.3 数据接收流程
- 和数据发送流程类似，上面是数据的接收流程
- 通过
USART_CR1寄存器设置数据位
- 通过
USART_BRR寄存器设置波特率
- 通过
USART_CR2寄存器设置停止位
- 将
USART_CR1寄存器的UE位设置为1
- 设置
USART_CR1的RE位使能，这是数据接收的起始位
8.4 USART_CR1 寄存器
目标：地址 + 设置的位 + 设置值
UART4 的基地址，参考分析 RCC 章节为 0x4001_0000
M1 位和 M0 位：
设置 1 位起始位，8位数据位
OVER8 位：
采样率，影响波特率设置的值，越大越准确
PCE 位：
设置发送位使能
RE位：
设置接收位使能
UE位：
总结
USART_CR1寄存器的功能是设置串口的初始化
- 地址：
0x4001_0000 + 0x00 = 0x4001_0000 USART_CR1[28][12] = 00-------> 设置8位数据位USART_CR1[15] = 0-------> 设置16倍采样率USART_CR1[10] = 0-------> 设置串口无奇偶校验位USART_CR1[3] = 1-------> 设置串口发送器使能USART_CR1[2] = 1-------> 设置串口接收器使能USART_CR1[0] = 1-------> 设置串口使能
8.5 USART_CR2 寄存器
设置串口的停止位
- 地址
0x4001_0000 + 0x04
- 初始化数值：
CR2[13][12] = 0b00
只有 USART 关闭的时候才能有效（
UE 位为 0）8.6 USART_BRR寄存器
- 上图为 BRR 寄存器的文档，它的地址是
0x4001_0000 + 0x0c
- 需要设置的是
[0:15]，它是依据 53.5.7 的公式进行计算
- 上图为一个例子，比如
9600波特率，使用的采样率是 16 倍，通过公式计算，得到的BRR需要设置的为0341h
- 如果想知道
USART_BRR寄存器需要设置的值，需要参考53.5.7章节，确认串口提供的主频64MHZ（这是uboot设置的），并且设置波特率为115200 USART_BRR = 64000000 / 115200 = 0x22B
8.7 USART_TDR 寄存器
- 串口发送数据寄存器
- 地址：
0x4001_0028
- 将发送的数据按位发送到发送寄存器中
TDR[8:0] = 要发送的数据
8.8 USART_PRESC 寄存器
时钟分频寄存器，分频影响主频从而影响波特率的生成（看功能框图）
- 地址：
0x4001_002C
- 因为前面设置好了
BRR寄存器，所以这里设置不分频
PRESC[3:0] = 0b0000
8.9 USART_ISR 寄存器
- 状态寄存器，用来读取
UART的状态
- 地址
0x4001_001C
- 读取
TXE位，可以 判断发送寄存器空满
UART4_ISA[7]，只有空才能发送下一个字节数据，如果满需要等待
读取
TC 位，可以判断数据是否完成
读取
RXNE 位，可以判断接收寄存器的是否为空9. 实验一
描述
- 在键盘输入一个字符，串口工具进行显示
- 例如，在键盘输入一个字符
a，串口工具显示b
10. 实验二
描述
- 在键盘输入一个字符串，串口工具进行显示
- 例如，在键盘输入一个字符串
"huyue"，串口工具进行显示"huyue"
