5.2.6 ARM微控制器外设：UART的寄存器编程（下）在线视频

各位同学大家好

我是清华大学工程物理系的曾鸣老师

接着来给大家讲一讲我们

ARM微控制器与嵌入式系统里头外设UART的编程

那么在上一个单元呢

我们讲了第一个和第二个编程的步骤

也就是如何把这个UART模块

乃至它所用到的PORT的时钟打开

以及如何把PORT里头这个物理引脚

指定为给UART这个功能来使用

那这个单元

也就是我们编程的真正的第三个步骤

也是我们学习UART编程的干货

一个ARM微控制器里的UART模块

它究竟有哪些寄存器来控制它工作

我们如何编程

能够让它按照我们约定的协议波特率

去进行通讯

如何把这个通讯真正做起来

那么这是这个单元要给大家讲的

那么我们前面学过IO模块以后会有一个概念

比如说IO

我们可能会有GPIOA、GPIOB若干组

每一组都会有一套一模一样的寄存器

来控制它所管的那一系列引脚的

输入还是输出的方向啊 值啊 这些东西

那么UART也一样

在上一个单元里

我已经提到我们ARM的KL25这个型号的

微控制器里头

有三个UART

分别是UART0、UART1、UART2

每一个UART都可以独立工作

跟不同的设备以不同的速度和帧格式

完成它自己的通讯

所以对它的控制

我们同样每一个UART都有一套寄存器

就像右边所示

那么它们分别是UART0、UART1、UART2

三套各来一遍完成对应一个UART的编程和开发

那么对于UART0、UART1、UART2

绝大多数这些寄存器的值是一模一样的

所以我们以通用的方式来进行讲解

那么这些寄存器看着很多

一大列比IO还要多

大家有点怕

那么我负责任的告诉大家

我们要把一个UART用最基本最简单的方式

编程开发起来

大家只需要使用到其中5到6个寄存器

每个寄存器

只需要使用到其中1到2个比特的值的设定

就可以完成这样一个功能

我来给大家一点点讲

那么这一系列寄存器

大家扫一下会发现它大概可以分成4类

最上面的BDH和BDL呢

是用来设置这个通讯的波特率

也就是速率

每个比特多宽的

然后UARTx_D是个Data Register

是用来读写我们串行通讯的数据的

接下来有一组UART的C1到C4

我们称为Control Register

是负责配置这个UART模块怎么工作的

最后两个S1和S2我们称为Status Register

是获得这个模块当前工作的状态的

所以以后我们学的一系列外设

在这个章节里都会给大家讲

其他的外设寄存器都会跟这类似

有数据的寄存器 有控制寄存器

有状态寄存器

我们对它的功能在不同的模块里

可能芯片设计的时候

有不同的定义

但我们对它加以掌握

就能这些模块越来越简单的用起来

我们先看UART

那么如我所说

在整个庞大的这个寄存器的映射地址空间里

UART的这一套寄存器

一共根据UART0、UART1、UART2

有三套各占一个地址段往下重复

所以每个UART0、UART1、UART2

对应的寄存器地址是有差异的

那么我们对这个地址映射的寄存器

有了理解以后

我们会知道在开发端

因为我反复给大家讲它像存储器

但不是存储器

因为你给它写了0或者1的值

它能存住

但最终是反过来指导一个电路的工作

那么UART的电路是什么呢

本门课程学习的不是芯片的设计

我们不会去讲里头每个模块的设计

但是我们可以定性的对它加以了解

从而更深的理解我们寄存器究竟怎么工作

那么比如说一个典型的UART的发送模块

我们看一张抽象图

就是像这一张图所示

这张图看着密密麻麻非常复杂

我们来对它的从顶层从块上做做划分

让大家理解

首先我们会有一个系统的这个发送时钟

那么这个发送时钟我加了一个标注

说他是发送时钟除以16

为什么呢

因为我们以一个波特率来工作的时候

我们在接收的时候

要用它16倍的速度去看收到数据

所以换言之就是发送的时候

我们会用十六分之一的速度

来一个比特一个比特的发送我们的数据

接着呢我们会有一系列的寄存器

最大一个寄存器是一个data register

我们是跟总线连在一起

换言之我们通过总线的地址

向这个寄存器里写入我们要发送的

比如是一个字节的值

那么这个值是从软件获得的值

而这个值

会被拷贝到我们的一个移位寄存器里

在电路的驱使下

按照我们约定好的波特率和时序

一个比特一个比特的从它的右端发送出去

而右端连的就是具体的物理的引脚

比如3.3伏代表逻辑1

0伏代表逻辑0送出去

那么在这个底下我们还会有一个小小的电路

也就是产生我们所说的奇偶校验位

如果我们决定使用奇偶校验

需要有一部分电路

根据这个移位寄存器存的值

算一算有多少个1

要不要加个1或者加个0

或者什么都不加

不用奇偶校验

然后再往下呢

我们会发现会有一系列的控制逻辑

来保证刚才说的这些东西能够有序的运行

然后这些控制逻辑会有一个副产品

就是我们会有一系列的中断产生

我们串行通讯跟IO一样

也是可以工作在中断方式下的

比如每当收到一个字节

或者每当一个数据发送完

我们可以用本门课程待会所讲的

轮询的方式来控制它工作

但是我们更可以通过设置中断

让中断通知CPU来自动处理

这个作为高阶的内容

有兴趣同学可以自己阅读芯片手册进行学习

但是完整的这样一个从时钟

到数据到奇偶校验

到控制逻辑到中断

是我们一个发送模块的内部电路的框图结构

那么我们需要理解的是

我们刚才提到的所有寄存器

是通过它的值来控制这些电路

进行正确的有序的工作

那么我们的数据就像这张箭头所示

从总线写给数据寄存器

再到移位寄存器一个比特一个比特的送出去

那么不再详细展开讲是我们接收

接收会以一个原始的时钟

也就是发送时钟的16倍

来看待我们从引脚收到的数据

那么通过一些附加的电路

我们可以检查它奇偶校验的正确

然后以及产生一些接收的中断

但是最终的目的是把接受到的数据

拷贝到数据寄存器

由总线把它读走

从而给程序其他的部分加以使用

那么我们同样一系列寄存器

会控制这些东西的有序运行

那么回过头来我们来看看寄存器的视角

那么刚才讲了一系列寄存器

从波特率 数据 控制寄存器 状态寄存器

这四大类我们先讲数据寄存器

数据寄存器非常地简单

他是映射在地址上的一个8比特位宽的寄存器

也就一个字节

虽然我们计算机是32位的

但是我们对任意地址

做8比特一字节的读写

所以这个字节计算器

就只有8个比特一个字节

那么这个寄存器就叫UARTx

比如UART0/1/2_D data register

那么它的说明非常的简单

就是我们对它写的数据是将要发送出去的

我们如果收到了数据我们可以从它读回来

我不知道对于这句话

大家理解到了背后的意思没有

这个背后的意思是一个小小的难点

那么大家在理解时候经常会卡在这儿

一般情况下

我们会说寄存器和存储器是有差异的

大家不会往细了想

这个地方是一个非常好的例子

如果一个存储器对应一个地址

我们写入一个字节

我们待会读

读到的肯定是它

如果我们中间有中断发生把它的值改了

那也是改过以后的值对吧

我们反复提寄存器

是一个存储着数据的电路

它的值可能会在程序的流程之外

被电路所改变

它的运行方式也不能完全等同于存储器

那么这个UART通讯的数据寄存器

包括以后我们要学习的

其他的通讯的数据寄存器

都有这样一个类似的特点

这个寄存器它的读和写

意味着完全不一样的操作

我们对它进行写操作的时候

写进去的数据是用来拷贝给移位寄存器

Shift register到发送引脚

逐一发送的

而我们对它进行读操作

注意 不是读

我们刚才真正所写的那个值

而是读我们的接收引脚从电路上收到的数据

拷贝回来的备份

那么你可以把它理解为

它是一个地址映射的寄存器

读和写两个操作分流到了不同的数据方向上

写 写到了引脚上

读 读的是接收引脚收到的数据

所以如果我们对这样一个寄存器

同时进行写个值 再读个值

他不等同于存储器的写个值

把它的原值读回来

如果是存储器可能我们的编译器

就把这两句话给优化掉了

因为等于什么都没做

但是对于UART的数据寄存器

UARTx_D这个寄存器

我们很有可能在这样一个操作里

做的是从串口发送一个字节

再读一个字节

别人给你的反馈对不对

所以大家一定要深度理解

这是一个数据寄存器复用为了

发送 写和读取 接收这两个不同的功能

这是数据寄存器

第二类寄存器我要讲的呢

是跟我们刚才讲的这张时钟图息息相关的

波特率的设置

我们都说我们UART1、UART2

包括按我给的例程UART0

我们配置为以Bus Clock 10.485兆

作为我们的参考时钟

那么这样一个时钟

如何得到我们想要的波特率呢

这个问题或者反过来说

我们怎么对寄存器编程

把它设置成任意一个波特率的值呢

那么我们会用到UARTx_BDL和UARTx_BDH

这两个寄存器

那么BDL和BDH分别是

Baud rate high register和Baud rate Low register缩写

它是高低两个各8比特一字节的寄存器

那么我们BDH寄存器的后面五个比特

加上BDL寄存器的这8个比特

一共可以组成一个13比特的二进制数

它的值就从0到8191是可以设置的

那么我们要的波特率的值

或者是我们对这个寄存器进行了配置以后

得到波特率的值

就是我们这个UART模块所使用的时钟源

源时钟除以这个13比特的值

再除以16得到就是我们的波特率

我不知道大家明白这个公式背后的事没有

我再说一遍

我们这个UART的模块所使用的源时钟

除以这两个寄存器联合设置的

13比特的二进制数的值

再除以16就是我们得到的波特率

所以我们的UART模块刚才说到

使用的源时钟是10.485兆

那么我们给这两个寄存器设置了一个值

所以这个10.485兆除以这个数

再除以16

是我们这个设置给串行通讯的波特率

所以大家要做一个通讯的时候

比如说我要跟一个计算机连

我就会约定好计算机那边

和微控制器这边都用哪一个波特率来通讯

那边用这个波特率收

这边用这个波特率发

这就是异步串行通讯

如果我要用一个现成的GPS模块

我得看芯片手册

这个GPS模块它的波特率是多少

我用跟它对应的波特率去读它和写它对吧

所以这是第一个问题

我们从一个已有频率分到一个要的频率

第二个问题呢

为什么要除以这个寄存器值

再除以16呢

这又是我们上一个单元

所讲过的过采样的概念

我们需要设定一个波特率的值

让这个波特率的值是实际数据的比特宽

但是我们还要一个比它快16倍的频率

是可达到的来进行接收的时候的16倍的采样

所以是频率除以值除以16

那么第三个问题是我们如何知道

我们该如何编程

对这些寄存器配置得到值呢

那非常简单

因为波特率等于时钟除以它

所以换言之

我们要想知道寄存器设成哪个值

就应该用我们的10.485兆的时钟

除以16除以我们要的波特率

得到那个商就是我们的寄存器该设的值对不对

非常简单

所以我们想一想

如果我们的总线频率是10.485兆

我们的波特率最大能设多少

最小能设多少

这是第一个问题大家想一想对吧

这13比特能取多少值

第二个问题呢

是如果我们要9600的波特率

我们这个寄存器值应该设成多少

拿10.485兆除以16再除以我们要的波特率 对吧

然后最后一个问题呢

是如果我们设了9600波特率

算出来这个商这个值

大家带到这个公式里反着算

除出来的值刚好是9600吗

然后我负责任告诉大家

一定不是的

而且这个误差还不小

可能差几十 可能差上百

那有关系吗

那又回到上个单元我给大家讲的

异步串行通讯

双方的时钟不一定要严格的一模一样

因为有UART这样一个数据帧的结构

那这个时钟误差多少以内

是可以接受的呢

比如说我接收到计算机是刚好9600

我算一下这个值

比9600大多少小多少可以接受呢

在上个单元里讨论的时候给大家讲了

正负5%通讯都不会出错对吧

所以大家可以有兴趣可以算一算

到实际开发的时候编编程就知道了

那么最后提示一件事从芯片设计的角度

UARTx的BDH和BDL这两个寄存器

必须连续编程访问赋值

也就换言之你必须BDH这个寄存器等于多少

紧接着跟一句BDL这个寄存器等于多少

你单对其中一个编程

芯片会把这句话忽略掉

认为没有正确的赋值

因为你设波特率肯定两个寄存器一起设

所以大家要注意这件事

所以如果我们把对波特率的设置进行编程

就是下面这两句话

UART1的BDH等于多少

UART1的BDL等于多少

就完成了波特率的设置

而设置的这个值

比如我们现在设的0x0044

大家换算一下它对应的是

阿拉伯数字十进制的68

就是我们根据10485这样一个赫兹数

要9600的波特率做除法除出来的

我们写了这两句话

那有的同学会说

老师我这个程序如果

有的时候用9600的波特率

有时候用4800的波特率

老是变 每次都拿计算器点

有没有简单的方法呢

有啊 我们写的就是程序啊

所以大家可以用上面这一段

看上去更复杂的代码

我们在编程的时候慢慢会有这样的概念

我们总是通过代码的复杂度

换来人理解的简单

或者用代码的简单要牺牲人去做计算

所以用上面这段代码

我们只需要把上面的变量定义

或者是宏定义改成我们的要的波特率

比如9600改成4800

下面他就用乘除法

自己来算出寄存器的值应该是多少

这些技巧大家可以自由的去编程和进行开发

好 讲完了数据寄存器那一点点

有点绕的小难点

讲完了波特率剩下的比较简单了

两类的寄存器

一个是UART的控制寄存器C1C2

一类是UART的status的寄存器S1

那么完成这些寄存器

我们就能真正把一个UART模块给用起来

那么第一个寄存器呢是UART的C1

control register 1

也就是控制寄存器1号

那么它有若干个比特

上面的比特都是控制着

UART模块的工作模式的在本门课的范畴里

我们不去深究

主要看它最后两个比特

这两个比特一个是PE

一个是PT

那么这两个寄存器控制的单元

其实就是我们是否在这个UART模块里

使用奇偶校验

以及是使用奇校验还是使用偶校验

那么这两个比特上电默认值都是0

它的含义是什么呢

就是不使用奇偶校验

那么在本门课范畴里

为了简化我们的理解和通讯

我们计算机通讯

我们可以约定双方都不用奇偶校验

也就是8个比特发完就是停止位

所以这个寄存器我们给它赋0就可以了

或者我们更简单我们编程的时候

这个寄存器我们不动它

不对它进行编程

用它的默认值就可以了

那么第二个控制寄存器

UARTx的C2寄存器

那么这个寄存器

前面有若干比特

是涉及到使不使用UART的中断

以及中断的子开关

那么学过中断的同学可以回忆这个部分

但是我在这个单元里我们不讲

我们用到是我标为绿色这两个比特

分别是比特2和比特3

一个叫TE一个叫RE

很简单一个是TXD的Enable

或者transmitter的Enable

一个是RE的Enable

也就是receiver的Enable

换言之这两个比特默认是0

置1 就打开了对应这个UART模块的

发送器和接收器

就刚才我给大家展示那个电路

让他开始干活

那我们要通讯我们当然要把它打开了

所以一定不可以少的一句话是

比如说UART1的C2寄存器

要或上这两个比特

这两个比特其实大家一看是比特3和比特2

那就是或上0x80再或上0x40

这两个比特置1

我们的UART模块的开关就打开了

然后状态寄存器只涉及到了一个

也就是UART的S1第一个状态寄存器

这个状态寄存器也有很多个比特

后面低位这个几个比特

是状态中断发生的标志位

后面几个比特是中断发生的标志位就是flag

所以当我们中断打开这个地方置位的时候

会自动通知CPU发生中断

我们也可以通过检查这些位

知道是哪个中断发生了

那么我们这个单元不讲中断

这个部分就忽略

我们只看我标为绿色的这两个比特

它直接影响到了

我们如何写出第一个收发函数

比如说第一个比特最高位比特7

它的名称是TDRF比特

那么它的含义是TXD的Data Buffer Empty Flag

翻译成中文

就是发送器的数据缓存空了的标志位

什么叫发送的数据缓存空了

意思就是之前放在那儿

要发送的数据已经发送完了

进一步的意思就是说

此时你可以发送下一个字节

所以我们如果要做一个发送函数

大家想一想

我们是直接给UART_D的数据寄存器

写个值就行了吗

这个时候会出现一种潜在的风险

就是前一个字节

一个比特一个比特的frame数据帧

还没有发送完

结果你拿了一个新的值来覆盖它

所以正确的写法

比如说我们自己写一个UART串行通讯的

数据发送函数

我给大家一个例子应该写成这个样子

是比较规范的一种写法

比如说我们不要返回值void

那么这个函数的名称

我们自己起比如叫UART1的Putchar函数

发送一个字节

那么它应该有一个参数是unsigned char data

也就是我给他一个字节的数据

那么这个字节的数据要想发送出去

我们要分两句话写

第一句话就是我这里写的while函数

第二句话大家非常容易想到

是UART1_D寄存器等于我给这个函数的data值

把这个字节写给数据寄存器对吧

那么在波特率配置好的情况下

它就自动的一个比特一个比特

把这样一个UART数据帧从引脚发送出去了

这个While语句大家看看写的是什么

首先注意语法

他是While一个括号后面跟了个分号

我们While语句正常情况下后面不跟分号的

所以这个分号不是这个句子的结尾

而是While这个语句的执行条件

执行一个空语句

那么也就说在While里头条件满足的情况下

它就一直在那儿循环执行这个空语句

那它检查的事情是什么呢

你会发现检查的事情

是拿我们的UART的S1寄存器

跟它的最高位也就是TDRF这一位

一直通过与运算来检查它有没有变1

如果它没有变1是不是意味着

发送寄存器没有空啊

因为发送寄存器没有空

这前面感叹号是取反 对吧

因为发送寄存器没有空

就意味着前面有数据没有发送完

就在While这儿一直循环等

等到发送寄存器这个比特置1

发送寄存器为空

才执行下一句话

发送一个新的字节

所以我们这个函数写完了的含义是

请检查发送的寄存器

有没有发送完上一个比特

上一个字节

如果上一个字节成功发送完了

请给它一个新的字节

发送出去

如果没有发送完

我就会在这儿一直等

这种方式称为阻塞式的数据通讯

阻塞在这儿等它能够发送

那么与之相关的另外一个比特

我可以讲快一点

讲简单一点

就是这个比特5

也就是从上面说第三个比特

它的名字叫RXD Data Buffer Full flag

也就是数据接收的缓存寄存器满的标志位

什么叫数据接收的寄存器满

那就说明收到了一个字节等着你读

这个时候我们就很好理解了

如果我们要写一个函数

来完成通过UART的数据接收怎么写呢

这个时候我们会发现

我们写一个类似的函数

就像这样叫UART1_Getchar

获得一个字节的数

这个时候参数我可以写成是void

但是我得有一个返回值

因为我调用这个函数就从外面的接口

读到一个字节

得是函数的返回值

所以函数的返回类型是unsigned char

那么这个语句同样是两句话

后面一句话很好理解

return UART的data寄存器

把data寄存器值读出来

从函数返回回去

我们读到了数据寄存器

但是我能随时读吗

是不能的

必须确实收到了一个字节

然后这个模块在寄存器里告诉我

有一个字节在那儿我才读

否则我可能读到的是空的值没有意义的值

也可能读到是上一次通讯遗留在那里的值

所以仍然是用一个While语句

来反复检查这一位是否置位

如果没有收到数据

它也在这儿一直等 也是阻塞式的

那么聪明的同学可能会想

能不能编成非阻塞的呢

能不能让它不要一直等呢

能不能用中断

来让它收到数的时候告诉CPU呢

这些问题

都是很好的

有兴趣的同学可以自己去试一试

那么这个单元讲完了以后

我们就获得了编程的第三个步骤里头

最重要的两个函数

如何通过UART发一个字节的数出去

或者接收一个字节的数

C语言学的好的同学应该概念清楚

发一个字节的数或者接收一个字节的数

也可以是发送和接收一个ASCII的字符

字符就是数对吧

那么这个单元的思考题就是

基于我刚才所讲的这么一堆寄存器

大家有了发送和接收的函数

能不能自己写一个UART1的初始化函数

把它初始到我们要的

比如9600 8N1的数据格式上

我提示大家要想一想要做哪几件事

这个初始函数

或者包括我们刚才说的

步骤一 步骤二的打开时钟配置时钟

配置引脚的功能那些东西

如果不包括把它放在前面单独调用函数

那它是不是也应该包括刚才提到设置波特率

打开发送和接收对不对

设置奇偶校验要不要

完成这几件事是不是完成初始化了

好像也不难

四五句话就可以实现

那么大家试一试吧

到了做实验的时候

我再来带着大家进行实际的编程