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概述

​ 上一篇写了 STM32CubeMX 的串口的使用，而这篇来扒一扒，它是怎么进行封装的。其实在标准库中也类似如下过程。

一.串口实例

​ 我们都知道，其实单片机最后其实都是对 串口相关的寄存器 进行操作，那么我们想扒一扒它的流程，必然要先知道串口相关的寄存器是哪些，因此查阅 STM32F4xx中文参考手册 ，我们可以在 第711页 找到以下相关寄存器：

• 状态寄存器

• 数据寄存器

• 波特率寄存器

• 控制寄存器1

  

  ​

• 控制寄存器2

  

  ​

• 控制寄存器3

• 保护时间和预分频器寄存器

​ 这些就是操作串口所需要的寄存器，那么我们应该怎么和 HAL库 的东西对应起来，去HAL库中找找，我们就会在 stm32f407xx.h 的头文件中找到以下结构体

/**   * @brief Universal Synchronous Asynchronous Receiver Transmitter  */ typedef struct{
     __IO uint32_t SR;        /*!< USART Status register,                   Address offset: 0x00 */  __IO uint32_t DR;        /*!< USART Data register,                     Address offset: 0x04 */  __IO uint32_t BRR;       /*!< USART Baud rate register,                Address offset: 0x08 */  __IO uint32_t CR1;       /*!< USART Control register 1,                Address offset: 0x0C */  __IO uint32_t CR2;       /*!< USART Control register 2,                Address offset: 0x10 */  __IO uint32_t CR3;       /*!< USART Control register 3,                Address offset: 0x14 */  __IO uint32_t GTPR;      /*!< USART Guard time and prescaler register, Address offset: 0x18 */} USART_TypeDef;

你会发现，寄存器和结构体中的变量名一一对应，那就是它了，我们再深入研究以下，为什么每个声明都是用uint32_t 的类型？我们还可以在 STM32F4xx中文参考手册 找到以下这张图，更直观的解释原因

​ 从上图可以看出，每个寄存器都是之间的地址偏移都是 4个字节，也就是 32 bit ，所以是用 uint32_t ,使每个寄存器占用 4 个字节，符合芯片文档。

​ 可是不知道你发现了没有，这边都没有说串口在内存的实际地址，有些小伙伴可能也不知道，就算有地址要怎么操作，这里我们稍微复习一下C 语言中的 常量指针 的知识，下面给出一小段代码

*(uint32_t *)0x40011000 = 0xFF;

​ 这段代码的含义，就是将 0x40011000 这个值转为指向一个32 bit 的内存空间的指针，* 取地址符号就是使得0xFF存入该 32 bit的空间内。

​ 因此我们应该要找到我们所使用的 串口1在内存的地址 ，说了这么多遍内存，我们就来看看 STM32 的内存到底长什么样子，我们可以在 对应的芯片手册上找到其内存映射图，当前芯片是 STM32F407，因此我们在芯片手册中会看到

​ 从上图可以看到 STM32F407 的内存映射图，内存被分成了很多块，而串口是属于外设，因此现在只要关心从下往上数第三块内存块就行了，但是目前我们也只能从中看到有 AHB1，AHB2，APB1，APB2，用标准库的小伙伴，应该对这些词很熟悉了，就是经常要对其进行时钟初始化的外设总线。

​ 但是我们还是没有看到我们想要的 地址，因此我们还是要借助一张时钟树的图，来判断串口1 在哪一条总线之下。

​ 结合时钟树和内存映射图，我们可以看到，串口1的地址在0x40010000 到 0x4001 4BFF ，但是还不是真正我们想要的

​ 最终，你会在 STM32F4xx中文参考手册 中发现一张存储的映射表，串口1的地址范围就写在那里

​ 这个地址范围就是我们要对其进行串口操作的实际地址，但是我们的操作实际就用到了7个寄存器

​ 为了更形象的说明，我们用以下代码，将前面提到的寄存器的实际的地址打印出来：

打印结果如下：

huart1.Instance->SR 40011000huart1.Instance->DR  40011004huart1.Instance->BRR 40011008huart1.Instance->CR1 4001100chuart1.Instance->CR2 40011010huart1.Instance->CR3 40011014huart1.Instance->CTPR 40011018

现在我们就很明白了，串口1的基地址 （40011000）+ 上面所说的地址偏移量 = 每个寄存器的实际地址，

​ 接下来我们再看看，这个基地址是怎么在 HAL 库中用上的。我们从上面的分析中知道，串口1其实是在外设总线上的，并且是 APB2 外设总线上，所以还是在stm32f407.h 的头文件中找，我们可以找到以下宏定义：

• 外设基地址

• APB2基地址

• 串口1基地址

• 串口1用 USART_TypeDef 结构体封装

  

  这样我们就可以算出，串口1的基地址为：

  USART1_BASE = 0x40000000 + 0x00010000 + 0x1000USART1_BASE = 0x40011000   //正如我们上述文档所看到的一样

  将这个值通过 USART_TypeDef 结构体指针的强制转换，就可以用结构体的方式来对寄存器进行存取值了

  （升华一下下，其实数组的首地址也可以用结构体指针进行强制转换，只要结果符合你的预期就可以了，比如这个技巧可以用在网络传输的时候）

现在来看看 USART1 用在哪里了，我们可以在 usart.c 找到以下代码

我们可以看到它用在了串口1初始化的函数(MX_USART1_UART_Init )里面了，也终于看到了我们这个标题要说的实例( huart1 )了

接下来我们看看这个实例的结构体( UART_HandleTypeDef )长什么样子

/**  * @brief  UART handle Structure definition  */typedef struct __UART_HandleTypeDef{
     USART_TypeDef                *Instance;        /*!< UART registers base address        */  UART_InitTypeDef              Init;             /*!< UART communication parameters      */  uint8_t                       *pTxBuffPtr;      /*!< Pointer to UART Tx transfer Buffer */  uint16_t                      TxXferSize;       /*!< UART Tx Transfer size              */  __IO uint16_t                 TxXferCount;      /*!< UART Tx Transfer Counter           */  uint8_t                       *pRxBuffPtr;      /*!< Pointer to UART Rx transfer Buffer */  uint16_t                      RxXferSize;       /*!< UART Rx Transfer size              */  __IO uint16_t                 RxXferCount;      /*!< UART Rx Transfer Counter           */  DMA_HandleTypeDef             *hdmatx;          /*!< UART Tx DMA Handle parameters      */  DMA_HandleTypeDef             *hdmarx;          /*!< UART Rx DMA Handle parameters      */  HAL_LockTypeDef               Lock;             /*!< Locking object                     */  __IO HAL_UART_StateTypeDef    gState;             __IO HAL_UART_StateTypeDef    RxState;            __IO uint32_t                 ErrorCode;        /*!< UART Error code                    */    #if (USE_HAL_UART_REGISTER_CALLBACKS == 1)  void (* TxHalfCpltCallback)(struct __UART_HandleTypeDef *huart);        /*!< UART Tx Half Complete Callback        */  void (* TxCpltCallback)(struct __UART_HandleTypeDef *huart);            /*!< UART Tx Complete Callback             */  void (* RxHalfCpltCallback)(struct __UART_HandleTypeDef *huart);        /*!< UART Rx Half Complete Callback        */  void (* RxCpltCallback)(struct __UART_HandleTypeDef *huart); /*!< UART Rx Complete Callback */  void (* ErrorCallback)(struct __UART_HandleTypeDef *huart);  /*!< UART Error Callback  */ void (* AbortCpltCallback)(struct __UART_HandleTypeDef *huart); /*!< UART Abort CompleCallback      */  void (* AbortTransmitCpltCallback)(struct __UART_HandleTypeDef *huart); /*!< UART Abort Transmit Complete Callback */  void (* AbortReceiveCpltCallback)(struct __UART_HandleTypeDef *huart);  /*!< UART Abort Receive Complete Callback  */  void (* WakeupCallback)(struct __UART_HandleTypeDef *huart);  /*!< UART Wakeup Callback */  void (* MspInitCallback)(struct __UART_HandleTypeDef *huart); /*!< UART Msp Init callback*/  void (* MspDeInitCallback)(struct __UART_HandleTypeDef *huart); /*!< UART Msp DeInitcallback*/#endif  /* USE_HAL_UART_REGISTER_CALLBACKS */} UART_HandleTypeDef;

​ 我们可以看到在这个结构体里看到，它需要串口基地址，串口初始化所需要的值，以及数据接收和发送所需要的指针，和当前状态标志位。

二. 串口实例初始化

​ 我们可以在串口初始化的函数(MX_USART1_UART_Init )中，找到我们自己在STM32CubeMX 的图形界面中为串口配置的值，如下

huart1.Init.BaudRate = 115200;  huart1.Init.WordLength = UART_WORDLENGTH_8B;  huart1.Init.StopBits = UART_STOPBITS_1;  huart1.Init.Parity = UART_PARITY_NONE;  huart1.Init.Mode = UART_MODE_TX_RX;  huart1.Init.HwFlowCtl = UART_HWCONTROL_NONE;  huart1.Init.OverSampling = UART_OVERSAMPLING_16;

​ 这不是真正的初始化（因为还没操作到我们之前所说的寄存器）,它只是用来记录需要初始化的值

​ 而真正的初始化这些参数，是在 HAL_UART_Init 中的 UART_SetConfig 函数中，如下代码所示

/**  * @brief  Configures the UART peripheral.  * @param  huart  Pointer to a UART_HandleTypeDef structure that contains  *                the configuration information for the specified UART module.  * @retval None  */static void UART_SetConfig(UART_HandleTypeDef *huart){
     uint32_t tmpreg;  uint32_t pclk;  /* Check the parameters */  assert_param(IS_UART_BAUDRATE(huart->Init.BaudRate));  assert_param(IS_UART_STOPBITS(huart->Init.StopBits));  assert_param(IS_UART_PARITY(huart->Init.Parity));  assert_param(IS_UART_MODE(huart->Init.Mode));  /*-------------------------- USART CR2 Configuration -----------------------*/  /* Configure the UART Stop Bits: Set STOP[13:12] bits     according to huart->Init.StopBits value */  MODIFY_REG(huart->Instance->CR2, USART_CR2_STOP, huart->Init.StopBits);  /*-------------------------- USART CR1 Configuration -----------------------*/  /* Configure the UART Word Length, Parity and mode:     Set the M bits according to huart->Init.WordLength value     Set PCE and PS bits according to huart->Init.Parity value     Set TE and RE bits according to huart->Init.Mode value     Set OVER8 bit according to huart->Init.OverSampling value */  tmpreg = (uint32_t)huart->Init.WordLength | huart->Init.Parity | huart->Init.Mode | huart->Init.OverSampling;  MODIFY_REG(huart->Instance->CR1,             (uint32_t)(USART_CR1_M | USART_CR1_PCE | USART_CR1_PS | USART_CR1_TE | USART_CR1_RE | USART_CR1_OVER8),             tmpreg);  /*-------------------------- USART CR3 Configuration -----------------------*/  /* Configure the UART HFC: Set CTSE and RTSE bits according to huart->Init.HwFlowCtl value */  MODIFY_REG(huart->Instance->CR3, (USART_CR3_RTSE | USART_CR3_CTSE), huart->Init.HwFlowCtl);  /* Check the Over Sampling */  if (huart->Init.OverSampling == UART_OVERSAMPLING_8)  {
       /*-------------------------- USART BRR Configuration ---------------------*/#if defined(USART6) && defined(UART9) && defined(UART10)    if ((huart->Instance == USART1) || (huart->Instance == USART6) || (huart->Instance == UART9) || (huart->Instance == UART10))    {
         pclk = HAL_RCC_GetPCLK2Freq();      huart->Instance->BRR = UART_BRR_SAMPLING8(pclk, huart->Init.BaudRate);    }#elif defined(USART6)    if ((huart->Instance == USART1) || (huart->Instance == USART6))    {
         pclk = HAL_RCC_GetPCLK2Freq();      huart->Instance->BRR = UART_BRR_SAMPLING8(pclk, huart->Init.BaudRate);    }#else    if (huart->Instance == USART1)    {
         pclk = HAL_RCC_GetPCLK2Freq();      huart->Instance->BRR = UART_BRR_SAMPLING8(pclk, huart->Init.BaudRate);    }#endif /* USART6 */    else    {
         pclk = HAL_RCC_GetPCLK1Freq();      huart->Instance->BRR = UART_BRR_SAMPLING8(pclk, huart->Init.BaudRate);    }  }  else  {
       /*-------------------------- USART BRR Configuration ---------------------*/#if defined(USART6) && defined(UART9) && defined(UART10)    if ((huart->Instance == USART1) || (huart->Instance == USART6) || (huart->Instance == UART9) || (huart->Instance == UART10))    {
         pclk = HAL_RCC_GetPCLK2Freq();      huart->Instance->BRR = UART_BRR_SAMPLING16(pclk, huart->Init.BaudRate);    }#elif defined(USART6)    if ((huart->Instance == USART1) || (huart->Instance == USART6))    {
         pclk = HAL_RCC_GetPCLK2Freq();      huart->Instance->BRR = UART_BRR_SAMPLING16(pclk, huart->Init.BaudRate);    }#else    if (huart->Instance == USART1)    {
         pclk = HAL_RCC_GetPCLK2Freq();      huart->Instance->BRR = UART_BRR_SAMPLING16(pclk, huart->Init.BaudRate);    }#endif /* USART6 */    else    {
         pclk = HAL_RCC_GetPCLK1Freq();      huart->Instance->BRR = UART_BRR_SAMPLING16(pclk, huart->Init.BaudRate);    }  }}/**  * @}  */

它真正操作到我们所说那些串口相关的寄存器(CR1, CR2, CR3, BRR)的配置，这里没看到 （SR，DR），因为它在数据的发送和接收时用到了。

三. 串口数据的发送（阻塞模式）

接下来就是对数据发送进行说明，先放出函数

/**  * @brief  Sends an amount of data in blocking mode.  * @note   When UART parity is not enabled (PCE = 0), and Word Length is configured to 9 bits (M1-M0 = 01),  *         the sent data is handled as a set of u16. In this case, Size must indicate the number  *         of u16 provided through pData.  * @param  huart Pointer to a UART_HandleTypeDef structure that contains  *               the configuration information for the specified UART module.  * @param  pData Pointer to data buffer (u8 or u16 data elements).  * @param  Size  Amount of data elements (u8 or u16) to be sent  * @param  Timeout Timeout duration  * @retval HAL status  */HAL_StatusTypeDef HAL_UART_Transmit(UART_HandleTypeDef *huart, uint8_t *pData, uint16_t Size, uint32_t Timeout){
     uint16_t *tmp;  uint32_t tickstart = 0U;  /* Check that a Tx process is not already ongoing */  if (huart->gState == HAL_UART_STATE_READY)  {
       if ((pData == NULL) || (Size == 0U))    {
         return  HAL_ERROR;    }    /* Process Locked */    __HAL_LOCK(huart);    huart->ErrorCode = HAL_UART_ERROR_NONE;    huart->gState = HAL_UART_STATE_BUSY_TX;    /* Init tickstart for timeout managment */    tickstart = HAL_GetTick();    huart->TxXferSize = Size;    huart->TxXferCount = Size;    /* Process Unlocked */    __HAL_UNLOCK(huart);    while (huart->TxXferCount > 0U)    {
         huart->TxXferCount--;      if (huart->Init.WordLength == UART_WORDLENGTH_9B)      {
           if (UART_WaitOnFlagUntilTimeout(huart, UART_FLAG_TXE, RESET, tickstart, Timeout) != HAL_OK)        {
             return HAL_TIMEOUT;        }        tmp = (uint16_t *) pData;        huart->Instance->DR = (*tmp & (uint16_t)0x01FF);        if (huart->Init.Parity == UART_PARITY_NONE)        {
             pData += 2U;        }        else        {
             pData += 1U;        }      }      else      {
           if (UART_WaitOnFlagUntilTimeout(huart, UART_FLAG_TXE, RESET, tickstart, Timeout) != HAL_OK)        {
             return HAL_TIMEOUT;        }        huart->Instance->DR = (*pData++ & (uint8_t)0xFF);      }    }    if (UART_WaitOnFlagUntilTimeout(huart, UART_FLAG_TC, RESET, tickstart, Timeout) != HAL_OK)    {
         return HAL_TIMEOUT;    }    /* At end of Tx process, restore huart->gState to Ready */    huart->gState = HAL_UART_STATE_READY;    return HAL_OK;  }  else  {
       return HAL_BUSY;  }}

• 进来该函数 检查当前串口的状态，若处于准备状态，将串口状态设置为 huart->gState = HAL_UART_STATE_BUSY_TX; 这个其实是为了对串口做保护，防止同时使用串口，导致数据发送错误

• huart->TxXferCount = Size这变量记录当前还需要 发送的数据个数，在 while 中不断进行判断，如果需要发送数据就通过下面函数查询 SR 寄存器中的状态，超过指定时间(Timeout )就是发送失败了，返回超时。

  if (UART_WaitOnFlagUntilTimeout(huart, UART_FLAG_TXE, RESET, tickstart, Timeout) != HAL_OK) {
                 return HAL_TIMEOUT; }//查询 UART_FLAG_TXE 标志位

• 如果没有超时，就通过下面代码进行发送，pData 指针 指向我们想要发送的数据的首地址

  huart->Instance->DR = (*pData++ & (uint8_t)0xFF);

  总结：

  ​ 该函数就是一直在查询是否是发送状态，如果可以发送就发送，不能发送，就等到Timeout 结束，返回超时

  ​

四. 串口数据接收

接下来就是对数据接收进行说明，再放出函数

/**  * @brief  Receives an amount of data in blocking mode.  * @note   When UART parity is not enabled (PCE = 0), and Word Length is configured to 9 bits (M1-M0 = 01),  *         the received data is handled as a set of u16. In this case, Size must indicate the number  *         of u16 available through pData.  * @param  huart Pointer to a UART_HandleTypeDef structure that contains  *               the configuration information for the specified UART module.  * @param  pData Pointer to data buffer (u8 or u16 data elements).  * @param  Size  Amount of data elements (u8 or u16) to be received.  * @param  Timeout Timeout duration  * @retval HAL status  */HAL_StatusTypeDef HAL_UART_Receive(UART_HandleTypeDef *huart, uint8_t *pData, uint16_t Size, uint32_t Timeout){
     uint16_t *tmp;  uint32_t tickstart = 0U;  /* Check that a Rx process is not already ongoing */  if (huart->RxState == HAL_UART_STATE_READY)  {
       if ((pData == NULL) || (Size == 0U))    {
         return  HAL_ERROR;    }    /* Process Locked */    __HAL_LOCK(huart);    huart->ErrorCode = HAL_UART_ERROR_NONE;    huart->RxState = HAL_UART_STATE_BUSY_RX;    /* Init tickstart for timeout managment */    tickstart = HAL_GetTick();    huart->RxXferSize = Size;    huart->RxXferCount = Size;    /* Process Unlocked */    __HAL_UNLOCK(huart);    /* Check the remain data to be received */    while (huart->RxXferCount > 0U)    {
         huart->RxXferCount--;      if (huart->Init.WordLength == UART_WORDLENGTH_9B)      {
           if (UART_WaitOnFlagUntilTimeout(huart, UART_FLAG_RXNE, RESET, tickstart, Timeout) != HAL_OK)        {
             return HAL_TIMEOUT;        }        tmp = (uint16_t *) pData;        if (huart->Init.Parity == UART_PARITY_NONE)        {
             *tmp = (uint16_t)(huart->Instance->DR & (uint16_t)0x01FF);          pData += 2U;        }        else        {
             *tmp = (uint16_t)(huart->Instance->DR & (uint16_t)0x00FF);          pData += 1U;        }      }      else      {
           if (UART_WaitOnFlagUntilTimeout(huart, UART_FLAG_RXNE, RESET, tickstart, Timeout) != HAL_OK)        {
             return HAL_TIMEOUT;        }        if (huart->Init.Parity == UART_PARITY_NONE)        {
             *pData++ = (uint8_t)(huart->Instance->DR & (uint8_t)0x00FF);        }        else        {
             *pData++ = (uint8_t)(huart->Instance->DR & (uint8_t)0x007F);        }      }    }    /* At end of Rx process, restore huart->RxState to Ready */    huart->RxState = HAL_UART_STATE_READY;    return HAL_OK;  }  else  {
       return HAL_BUSY;  }}

• 进来该函数 检查当前串口的状态，若处于准备状态，将串口状态设置为 huart->gState = HAL_UART_STATE_BUSY_RX; 这也是防止同时使用串口，导致数据接收错误

• huart->TxXferCount = Size这变量记录当前还需要 接收的数据个数，在 while 中不断进行判断，如果需要接收数据就通过下面函数查询 SR 寄存器中的状态，超过指定时间(Timeout )就是接收失败了，返回超时。

  if (UART_WaitOnFlagUntilTimeout(huart, UART_FLAG_RXNE, RESET, tickstart, Timeout) != HAL_OK) {
                 return HAL_TIMEOUT; }//查询 UART_FLAG_RXNE 标志位

• 如果没有超时，就通过下面代码进行数据接收，pData 指针 指向我们想要缓存数据的首地址（一般为数组首地址），将 DR 中的数据读取出来。

  *pData++ = (uint8_t)(huart->Instance->DR & (uint8_t)0x00FF);

  总结：

  ​ 该函数就是一直在查询是否是接收状态，如果可以接收就接收，不能接收，就等到Timeout 结束，返回超时，值得注意的是 这里如果没有接收到足够的数据也会返回超时，比如你要接收10个，如果只接收到了 9个 它也会返回超时，可以通过计算获取到底接收到几个。

  当接收超时时，计算接收到的个数 = huart1.RxXferSize - huart1.RxXferCount - 1

  ​全文总结：

  • 你会知道如何通过结构体去操作寄存器
  • 你会知道 HAL 库如何封装串口
  • 对串口寄存器有整体的了解
  • …等等知识

后续还会继续分享串口的其他基础知识和使用，感兴趣的小伙伴记得关注我！

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