STM32 USART串口的应用 STM32中断系统专题讲解

STM32，从字面上来理解， ST 是意法半导体， M 是 Microelectronics 的缩写， 32 表示 32 位，合起来理解， STM32 就是指 ST 公司开发的 32 位微控制器。在如今的 32 位控制器当中， STM32 可以说是最璀璨的新星，它受宠若娇，大受工程师和市场的青睐，无芯能出其右。

51 是嵌入式学习中一款入门级的精典 MCU，因其结构简单，易于教学。 51诞生于 70 年代，属于传统的 8 位单片机，如今，久经岁月的洗礼，既有其辉煌又有其不足。现在的市场产品竞争越来越激烈，对成本极其敏感，相应地对 MCU 的性能要求也更苛刻：更多功能，更低功耗，易用界面和多任务。面对这些要求， 51 现有的资源就显得得抓襟见肘。所以无论是高校教学还是市场需求，都急需一款新的 MCU 来为这个领域注入新的活力。

基于这样的市场需求， ARM 公司推出了其全新的基于 ARMv7 架构的 32 位 Cortex-M3 微控制器内核。紧随其后， ST（意法半导体）公司就推出了基于 Cortex-M3 内核的 MCU——STM32。STM32凭借其产品线的多样化、极高的性价比、简单易用的库开发方式，迅速在众多 Cortex-M3 MCU 中脱颖而出，成为最闪亮的一颗新星。

STM32 一上市就迅速占领了中低端 MCU 市场，受到了市场和工程师的无比青睐，颇有星火燎原之势。作为一名合格的嵌入式工程师，面对新出现的技术，我们不是充耳不闻，而是要尽快吻合市场的需要，跟上技术的潮流。如今 STM32 的出现就是一种趋势，一种潮流，我们要做的就是搭上这趟快车，让自己的技术更有竞争力。

• STM32 USART串口的应用

USART：Universal Synchronous Asynchronous Receiver and Transmitter的缩写，即通用同步异步收发器可以灵活地与外部设备进行全双工数据交换。

UART：(Universal Asynchronous Receiver andTransmitter)，它是在 USART基础上裁剪掉了同步通信功能，只有异步通信。简单区分同步和异步就是看通信时需不需要对外提供时钟输出，我们平时用的串口通信基本都是UART。

USART 在 STM32应用最多莫过于“打印”程序信息，一般在硬件设计时都会预留一个 USART通信接口连接电脑，用于在调试程序是可以把一些调试信息“打印”在电脑端的串口调试助手工具上，从而了解程序运行是否正确、指出运行出错位置等等。

用户平时基本上用的都是UART，很多外设与STM32进行数据传送时都是用的UART。

开发板与电脑对于电平的定义是不一样的，即对逻辑1和0的电平定义不同，因此需要一个转换器，和其他开发板连接时，由于电平一样，可直接连接。

串口通信协议介绍： 正常情况下，没有数据传输时，两端的信号线保持高电平，要发送数据时，发送方向接收方发送一个低电平，接收方就知道对面要发送数据了。接下来发送方发送数据，两端约定好数据大小是8位还是9位，一般情况下是8位，紧跟数据位后的校验位和停止位。

在串行通信中，用“波特率”来描述数据的传输速率。所谓波特率，既每秒传送的二进制位数，其单位为bps（bits per second）。它是衡量串行数据速度快慢的重要指标。国际上规定一个标准的波特率系列： 110、300、600、1200、1800、2400、4800、9600、115200、14.4Kbps、19.2Kbps、……

例如：115200bps、指每秒传送115200位。通信双方必须设置同样的同学速率才能正常通信

注意：实际的数据没这么多，还包括起始位，结束位，校验位。

• 使用寄存器方法发送数据

位7TXE：发送数据寄存器为空(Transmit data register empty)

当TDR寄存器的内容已传输到移位寄存器时，该位由硬件置1。如果 USART_CR1寄存器中 TXEIE位=1，则会生成中断。通过对 USART_DR寄存器执行写入操作将该位清零。

0:数据未传输到移位寄存器。

1:数据传输到移位寄存器，也就是数据寄存器为空。

注意：单缓冲区发送期间使用该位。。

发送数据前一定要检查发送数据寄存器是否为空，为空才可以发送数据。

void USART1_PutChar(uint8_t ch){

while(!(USART1->SR & 1<<7));//等待TDR为空

USART1->DR = ch;//直接将数据扔给数据寄存器

}

//第7位为0,与出来的结果为0，非运算之后为1，继续while循环

//第7位为1,与出来的结果为非0值，非运算之后为0，退出while循环

• 使用寄存器方法接收数据

位5 RXNE： 读取数据寄存器不为空(Read data register not empty)

当 RDR移位寄存器的内容已传输到USART_DR寄存器时，该位由硬件置1。如果USART_CR1寄存器中 RXNEIE= 1，则会生成中断。通过对 USART_DR寄存器执行读入操作将该位清零。RXNE标志也可以通过向该位写入零来清零。建议仅在多缓冲区通信时使用此清零序列。

0:未接收到数据

1:已准备好读取接收到的数据,即读取数据寄存器不为空

uint8_t USART1_GetChar(void){

while(!(USART1- >SR & 1< < 5));//等待RDR不为空

return USART1- >DR；

}

//第5位为0,没有得到数据，与出来的结果为0，非运算之后为1，继续while循环

//第5位为1,数据寄存器不为空，与出来的结果为非0值，非运算之后为0，退出while循环

• printf的实现：

int fputc(int ch,FILE *p){
   while(!(USART1- >SR & 1< < 7));
   USART1- >DR = ch;   
   return ch; 
}//实现原理参考上文

• STM32 中断系统专题讲解

中断能提高CPU的效率，同时能对突发事件做出实时处理。实现程序的并行化，实现嵌入式系统进程之间的切换。

• NVIC（内嵌向量中断控制器：Nested Vectored Interrupt Controlle)的主要功能：

NVIC其实就是一个中断管理的部件，这个部件和其他外设没有区别，内部仍然是由一系列寄存器构成的，它的功能都可已通过寄存器的设置来实现。控制一个中断本质上就是操作寄存器。

1.中断管理

Cortex-M4 内核支持 256 个中断，其中包含了 16 个内核中断和 240 个外部中断，并且具有256 级的可编程中断优先级设置。但 STM32F4 并没有使用 Cortex-M4 内核的全部东西，而是只用了它的一部分。Cortex-M4处理器中，每一个外部中断都可以被使能或者禁止，并且可以被设置为挂起状态或者清除状态。

注：

ISER：使能中断，8位刚好控制256个中断的使能，有些中断是不可以被屏蔽的。

ICER：清除中断使能，8位刚好控制256个中断的清除使能

ISPR: 挂起中断，若中断产生但没有立即执行，它就会被挂起（产生的中断没有当前正在处理的中断的优先级高就会被挂起，但是当前中断处理完成后仍然会处理新的中断，总之，有中断就会被处理）

ICPR：清除挂起，中断处理完成后应该清除挂起，表示已被处理完成，如果不清除挂起标志位，下一次CPU检查的时候发现该中断还在等待处理，就会重复触发，这不是我们想要的。也就是我们常说的清中断。

IABR：每个外部中断都有一个活跃状态位，当处理器正在处理时，该位会被置1

IP：用于设置中断的优先级，8位宽原则上可以设置256级优先级，但实际上STM32并没有使用到这么多，而是使用了高4位，低4位保留，共16个可编程优先级。

2.中断和异常向量表

Cortex-M4 内核支持 256 个中断，其中包含了 16 个内核中断和 240 个外部中断。STM32F407实际上只使用了10个内部异常和82个外部中断。当异常或中断发生时，处理器会把PC设置为一个特定地址，这一地址就称为异常向量。每一类异常源都对应一个特定的入口地址，这些地址按照优先级排列以后就组成一张异常向量表。统一的处理方式需要软件去完成。采用向量表处理异常，M0处理器会从存储器的向量表中，自动定位异常的程序入口。从发生异常到异常的处理中间的时间被缩减。

注：中断和异常的区别：

中断是微处理器外部发送的，通过中断通道送入处理器内部，一般是硬件引起的，比如串口接收中断，而异常通常是微处理器内部发生的，大多是软件引起的，比如除法出错异常，特权调用异常等待。不管是中断还是异常，微处理器通常都有相应的中断/异常服务程序。

3.支持嵌套中断：在执行一个中断服务程序的时候

当前处理器正在执行某一中断处理程序时，在执行期间有一优先级更高，更紧急的中断需要处理，会打断当前的中断处理程序，去执行高优先级中断的处理程序，执行完成后再继续当前的中断处理程序。

STM32有3个固定的优先级，都是负值，不能改变，值越小优先级越高，有16个可编程优先级，用4个bit位表示。

在 NVIC 有一个专门的寄存器：中断优先级寄存器 NVIC_IPRx（在 F407 中，x=0...81，即82个外部中断）用来配置外部中断的优先级，IPR宽度为 8bit，原则上每个外部中断可配置的优先级为0~255，数值越小，优先级越高。但是绝大多数 CM4芯片都会精简设计，以致实际上支持的优先级数减少，在 F407 中，只使用了高 4bit。

STM32还会把优先级分为两级，一级叫做主优先级，第二级叫做子优先级，主优先级又叫做抢占优先级，子优先级又叫做响应优先级。比较时首先比较主优先级，主优先级高则优先级一定高，主优先级相同时比较子优先级，响应优先级数值越小，则优先级越高。

IPR中的高4 位，又分为抢占优先级和响应优先级。抢占优先级在前，响应优先级在后。而这两个优先级各占几个位又要根据SCB->AIRCR中的中断分组设置来决定。这里简单介绍一下STM32F4的中断分组：STM32F4 将中断分为 5 个组，组 04。该分组的设置是由 SCB->AIRCR 寄存器的 bit108 来定义的。注意：工程开发中应当首先确定中断优先级分组，之后就不要再做修改了。

4.中断优先级总结

抢占优先级的级别高于响应优先级。而数值越小所代表的优先级就越高。 同一时刻发生的中断，优先处理优先级较高的中断。高优先级的抢占优先级是可以打断正在进行的低抢占优先级中断的。而抢占优先级相同的中断，高优先级的响应优先级不可以打断低响应优先级的中断。

抢占优先级相同就看响应优先级，同样数值越小优先级越高。如果两个中断的抢占优先级和响应优先级都是一样的话，则看哪个中断先发生就先执行。如果同时发生则优先处理编号较小（对10个内部异常和82个外部中断所对应的中断入口进行编号，如EXIT5-EXIT9合用一个中断入口，其编号为23，内部异常的中断入口编号均为负数）的那个，也就是异常向量表中排前面的先执行。

• EXTI，外部中断控制器

简单来说，EXTI就是管理GPIO产生的中断，是GPIO与NVIC连接的中介，由于GPIO管脚太多，需要一个统一管理，就是EXIT，而其他的片内外设如串口、定时器、I2C等产生的中断直接被NVIC管理。

EXTI共有16个通道选择器，每一个编号相同的GPIO管脚连接到编号相同的通道选择器中，每个通道选择器最终输出一根中断输入线，工作时，每一个选择器下同时只能有一个管脚被配置使用，具体配置哪一个管脚由该器件的外部中断配置控制器SYSCFG配置。

EXTI0-EXTI4每一个都有单独的中断入口，而EXTI5-EXTI9合用一个中断入口，EXTI10-EXTI15也合用一个中断入口。

一个SYSCFG只能配置4个通道选择器，因此需要4个SYSCFG。

• 外部中断处理流程：

1：中断输入线，外部管脚产生的中断由此输入。可以是高电平，也可以是低电平，根据设定要求产生

2：边沿检测电路会根据设定中断产生的方式检测电平，判断是否发生中断，如上升沿触发中断、下降沿触发中断或者上升沿和下降沿均可触发中断

3：如果2满足条件，会经过一个“或”门，“或”表示由外部输入的中断信号可以触发中断，内部的事件也可以产生中断，如定时器的更新事件等，不论外部内部，只有有一个就继续下去

如果是电平，就向上走，如果是事件就向下走

4：通过一个“与” 门，与表示新来的中断已被挂起（中断产生还未处理）记录，且次此中断没有被屏蔽，二者同时满足后可交由NVIC处理，传送至内核进行响应。、

• 按键中断实例

配置GPIO为外部中断模式，触发方式为下降沿触发，使能外部中断入口，设置优先级，包括主优先级和子优先级。

在Cube MX中只要使能了中断入口肯定会生成对应的中断处理函数，这些处理函数被归纳到stm32f4xx_it.c当中，这里面的文件都是中断处理函数的入口（IRQHander，Interrupt ReQuest Hander，中断处理请求函数）

在此文件的相应的函数入口处一步步追下去，就可以得到相应的中断处理代码。

这里的Callback函数一般是若函数，意味着用户可以对该函数进行重新编写完成自己的逻辑功能。将该函数复制到gpio.c中进行重新编写，复制时不需要复制函数前的__weak（弱函数典型的标记为函数前有__weak），因此在整个工程里就会有两个同名的函数，系统在编译的时候遇到两个同名函数时，就会自动忽略有__weak标记的函数，转而去编译用户自己编写的同名函数。

//gpio.c 


void HALGPIO EXTI_Callback (uint16_t GPIO_ Pin){
  if(GPIO_ Pin == GPIO_PIN_9){
        HAL_Delay(20);//延时，用于消除抖动
              if(HAL_GPIO_ReadPin(GPIOI,GPIO_PIN_9) == GPIO_PIN_RESET){ 
              //读管脚为低电平表示确实被按下了
                        printf("KEY3 INT successn");
               }
   }
}

//main.c


include "gpio.c"
include "usart.c" 


main(){
 MX_GPIO_Init();//对GPIO口时钟配置，中断优先级配置，触发方式等的初始化
 MX_USART1_UART_Init();对USART1初始化配置 
 while(){} 
 }

HAL_Delay()函数是由Systick定时器实现的，也涉及到一个中断的处理过程，执行的是系统内部的定时器产生的异常处理函数，因此设置按键中断的优先级必须要比HAL_Delay()要小，否则HAL_Delay()函数无法抢占导致程序死掉。

• 串口中断实例、

配置串口管脚参数，使能串口中断入口，设置优先级分组，设置串口中断优先级。

1.HAL_UART_IRQHandler ( &huart1);追进去有相当多类型的中断处理函数，选择串口在传输模式下发送完成的中断处理函数。

用户只需实现void HAL_UART_ TxCpltCallback (UART_HandleTypeDef *huart）的逻辑代码

2.HAL_UART_IRQHandler ( &huart1);追进去有相当多类型的中断处理函数，选择串口在接收模式下的中断处理函数。

该中断处理函数仍然会调用一个回调函数。

用户只需实现void HAL UART RxCpltCallback(UART HandleTypeDef *huart)的逻辑代码

串口中断有专门的串口接收中断函数和发送中断函数用来触发中断。

HAL_UART_Transmit_IT();

HAL_UART_Receive_IT ();

//main.c 


include "gpio.c" 
include "usart.c" 
uint8_t revbuff[2]={0};//接收缓冲区,定义全局为变量用于外部引用 
main(){ 
  MX_GPIO_Init(); 
  MX_USART1_UART_Init();//对USART1初始化配置，中断优先级配置 
  HAL_UART_Transmit_IT(&usart1,(uint8_t *)"USART SENDn",11); 
  //只有发送11个字符完成之后会触发发送完成中断，只触发一次 
  HAL_UART_Receive_IT(&usart1,revbuff，2); 
  //只有接收到2个数据后触发接收中断，只触发一次，若想多次触发，必须再次调用 
  while(){} 
}

//usart.c 


void HALUART_ TxCpltCallback (UART_HandleTypeDef *huart){    
  if(huart- >Instance == USART1){        
  printf("UART SEND endn");        
  } 
} 
extern uint8_t revbuff[2]={0}; 
void HAL UART RxCpltCallback(UART HandleTypeDef *huart){    
  if(huart- >Instance == USART1){       
  printf("revbuff[0]=%x,revbuff[0]n");          
  printf("revbuff[1]=%x,revbuff[1]n");          
  HAL_UART_Receive_IT(&usart1,revbuff，2);//用于多次触发接收中断    
  }     
}