STM32的UART讀寫及printf打印

0.摘要

本文以STM32F1x系列單片機爲例，主要介紹了串口的初始化、串口中斷、接收/發送、串口調試等內容，也順帶講到中斷分組、半主機模式以及微庫MicroLIB。

1.串口初始化

串口初始化主要包括對IO、USART和中斷的初始化。根據STM32F1x手冊RM0008的P166，USART在全雙工模式下，發送口TX要配置成複用推輓輸出，接收口RX要配置成浮空輸入或上拉輸入。此外，本文不使用USART的硬件流控制，所謂硬件流控制就是通過加入額外的引腳（RTS和CTS）來控制數據的收發過程，在數據傳輸之前確認收發雙方均準備好才進行通信，用於防止接收緩衝區滿而導致的數據丟失問題。

/*****************************************************
*function:	初始化串口1
*param:		串口波特率
*return:		
******************************************************/
void USART1_Init(unsigned int BaudRate)
{
	GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;
	USART_InitTypeDef	USART_InitStructure;
	
	RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_USART1 | RCC_APB2Periph_GPIOA, ENABLE);			//使能USART1，GPIOA時鐘
	
	/* TX - PA.9 */
	GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_9;							//PA.9
	GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;
	GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_AF_PP;							//複用推輓輸出
	GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStructure);
	
	/* RX - PA.10 */
	GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_10;							//PA.10
	GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_IN_FLOATING;						//浮空輸入
	GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStructure);
	
	USART_InitStructure.USART_BaudRate = BaudRate;							//波特率
	USART_InitStructure.USART_WordLength = USART_WordLength_8b;					//字長8位
	USART_InitStructure.USART_StopBits = USART_StopBits_1;						//停止位1位
	USART_InitStructure.USART_Parity = USART_Parity_No;						//無奇偶校驗
	USART_InitStructure.USART_HardwareFlowControl	= USART_HardwareFlowControl_None;		//無硬件數據流控制
	USART_InitStructure.USART_Mode = USART_Mode_Rx | USART_Mode_Tx;					//收/發模式
	
	USART_Init(USART1, &USART_InitStructure);
	USART_ITConfig(USART1, USART_IT_RXNE, ENABLE);							//開啓接收中斷
	USART_ITConfig(USART1, USART_IT_IDLE, ENABLE);							//開啓空閒中斷
	USART_Cmd(USART1, ENABLE);
}

中斷部分的配置較爲簡單，主要涉及中斷分組的問題。在說中斷分組之前，必須先了解中斷優先級：STM32F1x的中斷優先級分爲搶佔優先級（先優先級）和響應優先級（從優先級），不同搶佔優先級的中斷可相互打斷（即相互嵌套）。搶佔優先級相同的兩個中斷不可相互打斷，先發生（中斷）者先執行，如果同時發生（中斷），則高響應優先級者先執行。這兩個優先級在STM32F1x中通過寄存器的4個位來表示，究竟用多少個位表示搶佔優先級，多少個位表示響應優先級呢？STM32F1x並沒有定死，而是通過中斷分組來讓用戶靈活分配。各中斷分組定義如下圖所示（截自UM0427的P228）。本文由於只使用了一箇中斷，因此選擇任何一個分組的任何一個優先級都無所謂。

/*****************************************************
*function:	串口1中斷配置
*param:			
*return:		
******************************************************/
void NVIC_Config(void)
{
	NVIC_InitTypeDef NVIC_InitStructure;
	
	NVIC_PriorityGroupConfig(NVIC_PriorityGroup_1);				//中斷分組1：1位搶佔優先級，3位響應優先級
	NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannel = USART1_IRQn;			//中斷通道
	NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelPreemptionPriority = 1;		//搶佔優先級
	NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelSubPriority = 3;			//子優先級
	NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelCmd = ENABLE;				//使能中斷
	NVIC_Init(&NVIC_InitStructure);
}

2.串口接收

串口接收通過中斷來實現，即當接收到數據時，產生中斷，程序轉去處理接收到的數據。接收數據用的中斷包括接收中斷（RXNE）和空閒中斷（IDLE），如下圖所示（截自RM0008的P821）。接收中斷較好理解，就是每接收到一個字節的數據，就會產生中斷。而空閒中斷則是在接收完多個連續的字節（即一個數據幀）之後產生中斷。

本文同時開啓接收中斷和空閒中斷，串口每收到一個字節的數據，就進入接收中斷，把它讀取出來放好。當收完一幀數據時，就會進入空閒中斷，把所接收的n個字節的數據打印出來（串口打印見下一小節）。由於同個USART的中斷共用一箇中斷服務函數，故在函數中需要對中斷源進行判斷，再執行相應的操作。值得注意的是，每次進入中斷都要讀一下DR寄存器（Data Register），否則將不斷地進入中斷。

/*****************************************************
*function:	串口1中斷服務函數，打印接收到的字節
*param:			
*return:		
******************************************************/
void USART1_IRQHandler(void)
{
	static unsigned char buff[64];
	static unsigned char n = 0;
	unsigned char i;
	
	if(USART_GetITStatus(USART1, USART_IT_RXNE) != RESET)		//判斷是否爲接收中斷
	{
		buff[n++] = USART1->DR;																//讀取接收到的字節數據

		if(n == 64)
		{
			n = 0;
		}
	}
	if(USART_GetITStatus(USART1, USART_IT_IDLE) != RESET)		//判斷是否爲空閒中斷
	{
		USART1->DR;						//讀DR，清標誌
		
		printf("%d characters:\r\n", n);
		for(i=0; i<n; i++)
		{
			printf("buff[%d] = 0x%02hhx\r\n", i, buff[i]);	//輸出十六進制，保留最低兩位，不夠補0
		}
		n = 0;
	}
}

3.串口發送與printf打印

前面說的的DR寄存器是一個可讀寫寄存器（實際上是由兩個寄存器組成），串口的發送和接收都要圍着它轉，收到的數據從它裏面讀，而發送的數據要往它裏面扔。串口的發送操作非常簡單，一條語句就能搞定，就是往DR寄存器寫入要發送的數據：

USART1->DR = data;

或者使用庫函數：

USART_SendData(USART1, data);

串口在嵌入式領域不僅是一個通訊接口，還是一種調試工具，其好用程度不亞於硬件仿真。學過C語言的朋友應該都知道標準庫函數printf()和scanf()，前者用於打印信息到控制檯上，後者實現從鍵盤讀入字符到程序。Keil、IAR等集成開發環境均支持標準庫函數，如果在單片機的程序裏調用printf()打印內容，最終會在哪裏顯示呢？答案是不可知的，因爲單片機沒有控制檯這種東西，但我們可以利用它的外設來實現printf()，比如LCD或串口（串口再接到電腦上顯示打印信息）。串口基本上大多數單片機都有，而LCD就不一定了，所以我們通常用串口來打印內容。

那麼只要是有串口的單片機，調用一下printf()就可以打印信息了嗎？還沒那麼簡單，單片機並不能猜透你的意圖，你需要告訴它往哪裏printf，通過下面的fputc()函數來實現。fputc()是printf()的底層函數，需要把它改裝一番，讓它把要打印的數據發送到串口上去。

/*****************************************************
*function:	寫字符文件函數
*param1:	輸出的字符
*param2:	文件指針
*return:	輸出字符的ASCII碼
******************************************************/
int fputc(int ch, FILE *f)
{
	while(USART_GetFlagStatus(USART1, USART_FLAG_TC) == RESET);		//等待上次發送結束
	USART_SendData(USART1, (unsigned char)ch);				//發送數據到串口
	return ch;
}

除此之外，我們還要再做一點配置工作——禁用半主機模式，禁用了半主機模式才能使用標準庫函數printf()打印信息到串口，在程序中加入以下代碼即可。那麼什麼是半主機模式？爲什麼不用它？半主機模式是ARM單片機的一種調試機制，跟串口調試不一樣的是，它需要通過仿真器來連接電腦和ARM單片機，並調用相應的指令來實現單片機向電腦顯示器打印信息（或者從電腦鍵盤讀取輸入）。簡而言之，這種方法比串口調試更復雜（需要進行更多的配置操作），也更不靈活（一定要用仿真器）。

/********** 禁用半主機模式 **********/
#pragma import(__use_no_semihosting)

struct __FILE
{
	int a;
};

FILE __stdout;

void _sys_exit(int x)
{
	
}

上面的配置似乎有點麻煩，要加入這麼一堆難懂的代碼，難道沒有更簡便點的方法嗎？有，但不推薦。方法是使用微庫（MicroLIB），只要在Keil的“Options for Target -> Target ->Use MicroLIB”上打鉤，即可使用串口打印（fputc()函數還是要改，但上述代碼不用加）。微庫是區別於C標準庫的另一個庫，當使用微庫時，就默認關閉了半主機模式，也就不用添加上面的代碼。這樣雖然方便，但個人建議能不用就不用，原因：第一，微庫是爲小內存嵌入式設備而設計的，使用它可以減少代碼所佔空間，但對現在STM32等單片機來說，內存一般都夠用，微庫並非必需；第二，微庫相對於C標準庫而言，支持的功能更少，主要體現在對操作系統的支持上。總的來說，標準的東西總是相對更可靠，所以不必要的掉坑，還是用C標準庫，不用微庫。

4.最後

我們還需要一個USB轉TTL模塊和一臺裝有串口調試軟件的電腦，就可以看到單片機打印到串口上的內容了。從此，如果我們想看某個變量的值，可以打印一下，想看程序跑到哪個地方，也可以打印一下，想讓單片機向世界say個hello，還是可以打印一下。媽媽再也不用擔心我的調試！

主函數：

int main()
{
	USART1_Init(115200);
	NVIC_Config();
	printf("Hello, world!\r\n");
	printf("Please enter any character:\r\n");
	while(1);
}

運行效果：

參考：

[1] RM0008 (STM32F1x用戶手冊)

[2] UM0427 (STM32F101x/STM32F103x固件庫手冊)

[3] Keil官方對半主機模式semihosting的介紹

[4] Keil官方對微庫MicroLib的介紹