【理解ARM架構】操作寄存器實現UART | 段的概念

🐱作者：一只大喵咪1201
🐱專欄：《理解ARM架構》
🔥格言：你只管努力，剩下的交給時間！

🍠操作寄存器實現UART

🍟UART原理

UART的全稱是Universal Asynchronous Receiver and Transmitter，即異步發送和接收。
串口在嵌入式中用途非常的廣泛，主要的用途有：

打印調試信息；
外接各種模塊：GPS、藍牙；

串口因為結構簡單、穩定可靠，廣受歡迎。

如上圖所示，串口通信只需要三根線，發送(TXD)、接收(RXD)、地線(GND)。

通信雙方的TXD與對方的RXD相連。

串口發送數據是以幀格式一幀一幀來發的，幀格式由1bit起始位，8或9bit數據位，1或1.5或2bit校驗位，1bit停止位組成。

通常情況下都使用8bit數據位，不適用校驗位，這樣的一幀數據有10個bit。

校驗位又叫奇偶校驗位，如果8個數據位加校驗位中比特為位1的個數是奇數，校驗位就是1，否則就是0。

由于現在電子技術的逐漸成熟，串口通信很少出錯，所以校驗位使用的不多。

如上圖所示是一幀數據傳送時的邏輯電平示意圖。

發送方將自己的TXD線從高電平拉到低電平，保持一段時間，接收方讀取到自己的RXD線由高到底以后就知道要接收數據了。
發送方按照自己發送的這個字節，從低位開始，改變TXD線的電平，每改變一次保持一段時間，如此反復8次完成一字節數據的發送。
接收方在自己RXD線上的電平保持期間的中間時刻，根據電平狀態記錄該比特位的值，最后組合成一字節數據。
發送方將一字節數據發送完畢后，將自己的TXD線拉高方便下次發送數據，接收方在接收到8bit數據以后，并且檢測到自己RXD線是高電平，就知道這一幀數據傳送完畢了。

上面描述數據發送過程中電平維持的時間，就是根據波特率來確定的，一般選波特率都會有9600,19200,115200等選項。

波特率：可以簡單理解為，串口通信過程中1秒鐘能發送的比特位個數。
波特率是通信雙方約定好的，一個按照這個速度發送數據，另一個按照這個速度接收數據。

邏輯電平：

如上圖所示是本喵使用的ARM開發板串口發出的電平信號，在xV至5V之間，就認為是邏輯1，在0V至yV之間就為邏輯0，這叫做TTL/CMOS邏輯電平。

如上圖所示是RS-232邏輯電平，在-12V至-3V之間，就認為是邏輯1，在+3V至+12V之間就為邏輯0，RS-232的電平比TTL/CMOS高，能傳輸更遠的距離，在工業上用得比較多。

可以看到，RS-232與TTL/CMOS相同邏輯電平對應的真實電壓正負是相反的。

如上圖所示，ARM芯片上的串口都是TTL電平的，通過板子上或者外接的電平轉換芯片，轉成RS232接口，連接到電腦的RS232串口上，實現兩者的數據傳輸。

如上圖所示，現在的電腦越來越少有RS232串口的接口，但USB是幾乎都有的。因此使用USB串口芯片將ARM芯片上的TTL電平轉換成USB串口協議，即可通過USB與電腦數據傳輸。

無論那種接口，板子上的芯片IO口輸出的都是TTL/CMOS電平，我們在寫程序時僅需要關心輸出的邏輯電平即可。

🍟編程

一款ARM芯片上會有多個USART串口，一般UART1用來輸出調試信息，這里本喵也使用USART1。

確定引腳：

如上圖，本喵使用的STMF103ZET6芯片上，USART1的USART1_RX、USART1_TX，接到了PA10、PA9。

將引腳配置為UART功能：

使能GPIOA/USART1模塊

如上圖是，RCC_APB2ENR寄存器，GPIOA模塊、USART1模塊的使能都是在這一個寄存器里實現。

如上圖，從芯片手冊中查看Reset and clock control RCC寄存器的基地址是0x40021000，再根據RCC_APB2ENR的偏移地址0x18得到該寄存器的絕對地址是0x40021000 + 0x18。

將該寄存器的bit2和bit14寫一，此時就使能了GPIOA和USART1模塊。

配置引腳功能

從上面的芯片原理圖可以知道，PA9、PA10有三種功能：GPIO、USART1、TIMER1，所以這里要將其配置為USAT1功能。

如上圖所示GPIOx_CRH寄存器，該寄存器的絕對地址是0x40010800 + 0x04，PA9配置為輸出，所以將MODE9代表的bit4和bit5配置成01，將CNF9代表的bit6和bit7配置為10。

PA10配置為輸入，將MODE10代表的bit8和bit9配置為00，再將CNF10代表的bit10和bit11配置成01。

由于這里僅使能了USART1，沒有使能定時器，所以PA9和PA10的默認復用功能就是USART1，使用默認值即可。

設置串口參數：

設置波特率

如上圖所示是波特率的計算公式，USARTDIV由整數部分、小數部分組成，USARTDIV = DIV_Mantissa + (DIV_Fraction / 16) 。f_ck是內部時鐘頻率，這里就使用默認值，是8MHZ。

如上圖USART_BRR寄存器，DIV_Mantissa表示整數部分，占用該寄存器的bit4~bit15，DIV_Fraction表示小數部分，占用該寄存器的bit0~bit3。

以常用的波特率115200為例，來計算該寄存器的值：

設置波特率* 115200 = 8000000/16/USARTDIV* USARTDIV = 4.34* DIV_Mantissa = 4* DIV_Fraction / 16 = 0.34* DIV_Fraction = 16*0.34 = 5

所以給USART_BRR寄存器的bit4~bit15賦值4，bit0~bit3賦值5，根據這兩個值再來倒推一下真實的波特率：

真實波特率:* DIV_Fraction / 16 = 5/16=0.3125* USARTDIV = DIV_Mantissa + DIV_Fraction / 16 = 4.3125* baudrate = 8000000/16/4.3125 = 115942

可以看到，雖然和115200有點差距，但是并不影響。

設置數據格式

如上圖所示USART1_CR1寄存器，本喵將幀格式設置為1個起始位，8個數據位，無校驗位，1個停止位，所以將bit13設置1，bit12設置為0，bit10設置為0，bit3設置為1，bit2設置為1。

但是此時并沒有設置幾個停止位，還需要設置另一個寄存器：

如上圖所示USART_CR2寄存器，將bit12~bit13設置為00，表示1個停止位。

根據狀態寄存器讀寫數據：

如上圖所示串口模塊結構圖，發送有一個發送數據寄存器和發送移位寄存器，接收有一個接收數據寄存器和接收移位寄存器。

發送數據時，CPU將數據寫入到發送數據寄存器，然后由發送移位寄存器一位一位將數據通過TXD線發送出去。

接收數據時，RXD線上的數據一位一位放入接收移位寄存器，該寄存器接收完畢后將整個字節數據放入到接收數據寄存器，CPU從接收數據寄存器中可以直接讀取數據。

狀態寄存器

如上圖所示USART_SR狀態寄存器，TXE表示發送數據寄存器是否為空，該位并不能說明數據已經發送完了，因為真正發送數據的是移位寄存器，只能說發送數據寄存器將數據給了移位寄存器，CPU可以再向數據寄存器中寫數據了。

TC表示發送數據完成，即發送數據寄存器和移位寄存器中的數據都發送完畢了。RXNE表示接收數據寄存器中有數據了，說明已經接收到了數據，CPU可以來讀取了。

數據寄存器

如上圖所示USART_DR寄存器，寫、讀這個寄存器，就可以發送、讀取串口數據。

在配置完引腳和功能選擇以后，本喵在介紹USART_XXX寄存器的時候并沒有說它的地址，因為無論是設置波特率的USART_BRR，還是設置數據格式的USART_CR1，再或者狀態寄存器USART_SR，以及數據寄存器USART_DR這些都是以USART為基地址的。

如上圖所示USART1的基地址是0x40013800，上面本喵提到的這些寄存器都是在這個基地址的基礎上進行偏移，也就是說它們都屬于USART1模塊中的寄存器。

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

如上面代碼所示，用一個結構體來表示USART模塊，里面的成員變量表示各個寄存器，讓它們在結構體中的偏移量和寄存器相對于USART模塊的偏移量相對應，此時就可以通過訪問這個結構體訪問到各個寄存器。

如上圖所示是整個串口的初始化代碼，其中配置波特率等參數使用的是結構體訪問的寄存器，串口結構體是一個局部變量。

如上圖所示，定義發送一個字符和接收一個字符的函數，通過判斷狀態寄存器的值，進而讀寫DR寄存器，也是通過結構體訪問的寄存器，結構體是一個局部變量。

如上圖，此時將程序燒錄到開發板以后，會通過串口發送Hello字符串，在PC端發送一個字符，板子接收到以后返回該字符及下一個字符，此時我們的串口是配置好了。

問題：為什么每個函數中都得創建一個uart1結構體局部變量，而不是創建全局變量供這些函數使用呢？

🍠段的概念

如上圖所示，增加三個函數，用來打印字符串及變量的地址。

如上圖所示，創建四個全局變量，g_ConstChar被const修飾，然后在mymain中分別打印四個變量的地址及它們的值。

將程序編譯后燒錄到開發板中，通過串口工具來觀察輸出的內容。

如上圖所示，來看這四個變量的地址，只有g_ConstChar這個被const修飾的變量地址是位于Flash中的，其他幾個變量都是位于RAM中。

如上圖，keil中只能了Flash和RAM的起始地址，根據這兩個參數很容易判斷出這四個變量所處的位置。

如上圖，再來看輸出的這四個變量的值，可以看到，只有const修飾的g_ConstChar變量輸出了B，其他幾個變量都沒有輸出對應的則，而是奇怪的東西。

其他變量輸出的奇怪值表明，這幾個變量地址處的值是亂碼。

g_ConstChar變量位于Flash，也就是ROM，ROM是只讀的，不能寫，而其他三個變量位于RAM，RAM是可讀可寫的。

在編譯的時候，編譯器進行了判斷處理，g_ConstChar是只讀的，不會寫，所以把它放在Flash就可以。

Flash上存放這種只讀數據的區域叫做只讀數據段。

其他三個變量會進行讀和寫的操作，所以編譯器給了它們一個鏈接地址，這個地址對應在RAM上，方便CPU進行讀寫。

RAM上存放這種可讀可寫全局變量的區域叫做可讀可寫數據段。

無論有沒有被const修飾的變量，它們都有初始值A或者B，這個兩個數值是不會變的，只是用來使用的，所以編譯器將這兩個值放在這兩個變量位于Flash上的地址處(加載地址)。

有幾個有初始值的全局變量，Flash中就會保存幾個初始值。
Flash以及內存中并沒有變量名，只會在變量的地址處直接存放數值。

像char g_A = 0這種初始值為0的全局變量，以及char g_B這種沒有初始值的全局變量，Flash上就沒有必要存放它們的初始值。

假設初始值為0的變量有一萬個，Flash中難道要存放1萬個0嗎？肯定不會的，這樣浪費內存不說，還沒有任何意義。對于沒有初始值的全局變量Flash中更不會存放它的初始值了。

所以編譯器在編譯的時候，直接給這種初始值為0或者沒有初始值的全局變量分配一個鏈接地址，位于RAM中，CPU直接去鏈接地址讀寫就可以了。

這種存放初始值為0或者沒有初始值所在的RAM區域被叫做BSS段或者ZI段。

我們寫的代碼經過編譯鏈接以后，會生成一個二進制可執行文件，里面全部都是機器碼，這部分代碼并不會改變，所以也存放到Flash上。

存放代碼的Flash區域被叫做代碼段。

至于棧以及堆本喵在前面的文章中就詳細講解過，這里就不再說了，有興趣的小伙伴可以移步單片機中的C語言。

所以，程序分為這幾個段：

代碼段(RO-CODE)：就是程序本身，不會被修改
可讀可寫的數據段(RW-DATA)：有初始值的全局變量、靜態變量，需要從ROM上復制到內存
只讀的數據段(RO-DATA)：可以放在ROM上，不需要復制到內存
BSS段或ZI段：
- 初始值為0的全局變量或靜態變量，沒必要放在ROM上，使用之前清零就可以
- 未初始化的全局變量或靜態變量，沒必要放在ROM上，使用之前清零就可以
局部變量：保存在棧中，運行時生成
堆：一塊空閑空間，使用malloc函數來管理它，malloc函數可以自己寫