串口通讯（Serial Communication）是一种设备间很常用的串行通讯方式，串口按位（bit）发送和接收字节，尽管比按字节（byte）的并行通讯慢，但是串口可以在使用一根线发送数据的同时使用，另一根线接收数据。我们一般使用的串口都是串行异步全双工通讯。
串行通俗的理解就是传输数据时，无论数据有多少位，都只用到一根线进行通讯，当然串口通讯至少会用到两根线，一根是TX，一根是RX，一根地线。
异步的意思是当设备进行通讯的时候，中间不需要连接时钟线（SCK）。串口通讯的时候需要配置波特率，只有当设备间的波特率相等的时候，才可以进行正常的通讯。波特率就是每秒钟内发送或接收多少位数据，常见的波特率有9600,115200等。
全双工的意思就是发送和接收可以同时进行。（单工是只能发送或者只能接收。半双工的意思是可以发送也可以接收，但是不能同时进行，比如IIC）。
串口通讯可以分为物理层和协议层。
一、物理层：
串口通讯有不同的标准，比如RS-232、RS-485。RS-232的常见通讯结构如图：
由于RS-232电平标准不能直接被寄存器识别，所以这些信号需要经过一个“电平转换芯片”转换成控制器能识别到的“TTL标准”的电平信号，才能实现通讯。
之前我用MCU引出来的TX和RX管脚直接连接电脑上的串口引脚，发现电脑上接收到的数据都是错的，后来加了一个CH340，就可以正常通讯，这就是因为两者的电平标准不一致导致的，这可能烧了MCU，比较费板子。
以下是TTL电平标准和RS-232电平标准：
RS-232信号线原先采用25个脚的DB-25连接器，后来逐渐淘汰，现一般采用的是“DB-9”连接器，而工业控制的RS-232口一般只使用RXD、TXD、GND三条线。“DB9”串口线如图，接线口以针式引出的信号线称为公头，以孔式引出的信号线称为母头。
标准信号线接法如图：
引脚定义：
二、协议层：
串口通讯的数据包由发送设备通过自身的TXD接口传输到接受设备的RXD接口。在串口通讯的协议层中，规定了数据包的内容，它由起始位、主体数据、校验位以及停止位组成。通讯双方的数据包格式要约定一致才能正常的发送和接收
三、USART时钟框图
1、引脚功能：
TX：数据发送引脚
RX：数据接收引脚
SW_RX：数据接收引脚，用于单线和智能卡模式，只有内部引脚，没有引出来
nRTS:请求以发送，n代表低电平有效。如果使能nRTS流控制，当USART准备好接受数据时将会拉低nRTS电平，当接收寄存器满了的时候，nRTS将会被设置为高电平。该引脚只适用于硬件流控制
nCTS:清除已发送，n代表低电平有效。如果使能CTS流控制，发送器在发送下一帧之前会检测nCTS引脚，如果为低电平，表示可以发送数据，如果为高电平则在发送完当前数据帧之后就会停止发送，该引脚只适用硬件流控制
IRDA_OUT/IRDA_IN:用于红外传输数据
SCLK:发送器时钟输出引脚，只适用于同步模式。
2、数据寄存器
数据寄存器只是低9位有效，并且第8位是否有效取决于数据字长，该位可以在USART的控制寄存器1（USART_CR1）的M位配置，当M位为0的时候表示8位数据字长，当M位为1表示9位数据字长。数据寄存器实际上包含了两个数据寄存器，一个是用于发送数据的TDR，另外一个是用于接受数据的RDR。当需要发送数据的时候，内核或者DMA外设就会把数据从内存写到发送数据寄存器TDR，因为TDR和RDR都是介于总线和移位寄存器之间，发送时，数据并行地转移到发送移位寄存器中，然后从移位寄存器中一位一位地发送出去。接收数据的过程则相反，数据一位一位地接收到接收移位寄存器中，再并行地转移到数据接收寄存器RDR中，最后使用内核指令或者DMA读取到内存中。
3、控制器
USART有专门的控制发送的发送器，控制接收的接收器，还有唤醒单元、中断控制等。使用USART之前必须先使能，即向USART_CR1中的UE位写1
1）发送器：当发送使能位（TE）置1时，发送移位寄存器中的数据在TX脚上输出，如果是同步模式，在SCLK引脚上也会输出时钟脉冲。每个字符前都有一个低电平的起始位，之后跟着一个停止位，数目可以通过USART控制寄存器2（USART_CR2）中的STOP[1:0]位控制，可选0.5、1、1.5、2个停止位，默认使用1个停止位，2个停止位可用于单线模式，常规的USART模式以及调制解调器模式，0.5和1.5个停止位用于智能卡模式。具体发送字符时序如图：
在发送数据的时候，发送器对TE位置1，发送一个空闲帧作为第一次数据发送，把要发送的数据写到USART_DR中，在写入最后一个数据后，等待TC = 1，表示发送完成。如果USART_CR1中的TCIE位被置起，则会产生中断。
2）接收器：设置USART_CR1的RE位。激活接收器，使其开始寻找起始位。在确定到起始位后就根据RX线的电平状态把数据存到接收移位寄存器内。接收完成后把数据并行地转移到接受数据寄存器（RDR）中，并且把USART_SR的RXNE位置1，表明数据已经被接收，而且可以被读出。如果USART_SR的RXNEIE位被置1，则会产生中断。
4、波特率控制：
波特率，即每秒传输的二进制位数，用 b/s（bps） 表示，通过对时钟的控制可以改变波特率。在配置波特率时，我们在比率寄存器 USART_BRR 写入参数，修改了串口时钟的分频值 USARTDIV。 USART_BRR 寄存器包括两部分，分别是 DIV_Mantissa（USARTDIV 的整数部分） 和 DIV_Fraction（USARTDIV 的小数） 部分，最终，计算公式为 USARTDIV=DIV_Mantissa+(DIV_Fraction/16)。
例如， DIV_Mantissa=27， DIV_Fraction=12（USART_BRR=0x1BC）
于是：
Mantissa（USARTDIV） =27
Fraction（USARTDIV） =12/16=0.75
所以 USARTDIV=27.75
四、串口通讯硬件设计
CH340是一种USB转串口芯片。MCU的TXD和RXD分别与CH340G的RXD和TXD相连，JP1和JP2 是跳线帽，为了方便串口2~5实现串口通讯。CH340G的VD+和VD-是USB的信号接口，直接连到USB的D+和D-。XI和XO为晶体振荡的输入端和反向输出端，外接12MHZ的晶振与晶振电容。
五、寄存器
寄存器映射：
六、使用CubeMX生成USART工程
CubeMX配置的过程比较简单，这里就不详细说明了，主要看看生成的代码中的函数以及一些结构体
1) 观察到下面的代码，其实这些在我们在配置 CubeMX 软件时，已经完成了各
项参数的设置。 这是它在 HAL 库中的结构体。 HAL 库函数对每个外设，都建
立了一个相当于对应外设总接口的结构体（官方称为句柄） 作为 HAL API 的
函参。 在使用 HAL 库配置工程中， 如果能掌握每个结构体成员的含义， 那么
对此外设就可以应用自如了。 在 bsp_usartx.c 的私有变量， 我们声明了一个
串口结构体，接下来我们来认识 UART_HandleTypeDef 这个结构体中各个成
员的含义， 见代码 。 了解各个成员的含义，有助于我们在开发更高级工
程时能够熟练的应用 HAL 库。
UART 操作结构体定义
01 typedef struct {
02 USART_TypeDef *Instance; // UART 寄存器基地址
03 UART_InitTypeDef Init; //UART 通信参数
04 uint8_t *pTxBuffPtr; // 指向 UART 发送缓冲区
05 uint16_t TxXferSize; // UART 发送数据大小
06 uint16_t TxXferCount; // UART 发送计数器
07 uint8_t *pRxBuffPtr; //向 UART 接收缓冲区
08 uint16_t RxXferSize; // UART 接收数据大小
09 uint16_t RxXferCount; // UART 发送计数器
10 DMA_HandleTypeDef *hdmatx; //UART 发送参数设置（DMA 模式）
11 DMA_HandleTypeDef *hdmarx; // UART 接收参数设置（DMA 模式）
12 HAL_LockTypeDef Lock; // 锁定对象
13 __IO HAL_UART_StateTypeDef State; // UART 通信状态
14 __IO uint32_t ErrorCode; //UART 错误代码
15 } UART_HandleTypeDef;
Instance：UART 寄存器基地址，按 F12(工程编译之后才有效)进入 USART_TyDef
这个结构体的定义，可以发现， 里面是我们在前面讲过的 CR1、 CR2 等关于
USART 功能的寄存器， 可以返回看图 13-5 及相关描述。
Init： UART 通信参数， 在代码 13-2， 会进行详细的讲解。
中间的 6 个变量定义， 是服务于 HAL 库内封装函数对于数据接收和发送的处
理。
hdmatx/hdmarx：使用 DMA， 发送数据或接收数据的配置。
Lock：对资源性操作增加操作锁的保护。
State：UART通信状态。有 RESET、READY、BUSY、BUSY_TX、BUSY_RX、BUSY_TX_RX、
TIMEOUT、 ERROR。根据不同的状态，控制 UART 的发送和接收。
2) UART 参数配置， UART_InitTypeDef，结构体成员用于设置外设工作参数，并
由外设初始化配置函数，比如 MX_USARTx_Init()调用，这些参数将会设置外
设相应的寄存器，达到配置外设工作环境的目的。 我们在代码 13-1 可以看
到在 USAT_HandleTypeDef 结构体中，定义了多个结构体成员，而这就是结构
体的嵌套。在 USAT_HandleTypeDef 结构体中， UART_InitTypeDef 相当于成员。
代码 13-2 是 UART_InitTypeDef 结构体的说明
01 typedef struct {
02 uint32_t BaudRate; //波特率
03 uint32_t WordLength; //字长
04 uint32_t StopBits; //停止位
05 uint32_t Parity; //校验位
06 uint32_t Mode; //USART 模式
07 uint32_t HwFlowCtl; //硬件流控制
08 uint32_t OverSampling; //过采样
09 } UART_InitTypeDef;
BaydRate：波特率设置。一般设置为 9600、 19200、 115200。利用 HAL 库可
以直接配置波特率。
WordLength：数据帧字长，可选 8 位或 9 位。它设定 USART_CR1 寄存器的 M
位的值。 一般使用 8 数据位。
StopBits：停止位设置，可选 0.5 个、 1 个、 1.5 个和 2 个停止位，一般我们选
择 1 个停止位。
Parity ： 奇 偶 校验位控制选择 ， 可 选 UART_PARITY_NONE （ 无 校 验 ）、
UART_PARITY_EVEN（偶检验） 以及 UART_PARITY_ODD（奇校验）， 我们选择
无校验位。
Mode： USART 模式选择，有 UART_MODE_RX（接收）、 UART_MODE_TX（发
送） 和 UART_MODE_TX_RX（发送和接收模式）。
HwFlowpling： 硬件流控制， 只有在硬件流控制模式下有效。可选有使能 RTS、
使能 CTS、 同时使能 RTS 和 CTS、 不使能硬件流。
OverSampling： 过采样，提高精度。 按照 HAL 库原版英文介绍， 只能设置为
16。
标准库：
标准库和HAL库实际上很相似，有异曲同工之妙，不同的是HAL库可以用CubeMX生成，大大提高了开发的效率。但标准库的应用目前来说还是很普遍的，所以我觉得有必要学习标准库的用法，在这个过程中或许可以帮助我们更深入地理解相关的原理。
1）USART寄存器结构体
2）USART库函数
