STM32F103x增强型系列产品中，内置了3个通用同步/异步收发器（USART1、USART2和USART3）和2个通用异步收发器（UART4和UART5）。这5个接口提供异步通信、支持IrDA SIR ENDEC传输编解码、多处理器通信模式、单线半双工通信模式和LIN主/从功能。

USART1的时钟来源于APB2总线时钟，最大频率为72MHz，接口通信速率可达4.5兆位/秒，其他4个USART时钟来源于APB1总线时钟，最大频率为36MHz，接口的通信速率可达2.25兆位/秒。USART1、USART2和USART3接口具有硬件的CTS和RTS信号管理、兼容ISO7816的智能卡模式和类SPI通信模式，除了UART5之外所有其他接口都可以使用DMA操作。

对于USART的使用，功能框图是最核心的内容，掌握了功能框图就对USART就有了一个整体的把握，在编程时思路就很清晰。USART功能框图如图4.16所示。

图4.16　USART功能框图

1.功能引脚

见图4.16中①部分。

RX：接收数据串行输入。通过过采样技术来区别数据和噪音，从而恢复数据。

TX：发送数据输出。当发送器被禁止时，输出引脚恢复到它的I/O端口配置。当发送器被激活，并且不发送数据时，TX引脚处于高电平。在单线和智能卡模式里，此I/O口被同时用于数据的发送和接收。

任何USART双向通信至少需要上述两个脚。

SCLK：发送器时钟输出。此引脚输出用于同步传输的时钟（在Start位和Stop位上没有时钟脉冲，软件可选地，可以在最后一个数据位送出一个时钟脉冲），数据可以在RX上同步被接收。这可以用来控制带有移位寄存器的外部设备（例如LCD驱动器）。时钟相位和极性都是软件可编程的。在智能卡模式里，SCLK可以为智能卡提供时钟。

IrDA_IN：IrDA模式下的数据输入。

IrDA_OUT：IrDA模式下的数据输出。

以上两引脚仅在IrDA模式里需要。

nCTS：清除发送（Clear To Send），如果时能CTS流控制，发送器在发送下一帧数据之前会检测nCTS引脚；如果低电平，表示可以发送数据；若是高电平，在当前数据传输结束时阻断下一次的数据发送。

nRTS：发送请求（Request To Send），如果时能RTS流控制，若是低电平，表明USART准备好接收数据；当接收寄存器已满时，nRTS将被设置为高电平。

以上两引脚仅在硬件流控模式中需要。

SW_RX数据接收引脚，只用于单线和智能卡模式，属于内部引脚。

USART只是异步功能传输时，仅用TX、RX引脚。

USART模式设置如表4.5所示。

表4.5　USART模式设置

◎：支持，●：不支持该应用

STM32F103x系列USART引脚分布如表4.5所示。

表4.5　STM 32F103x系列USART引脚分布表

注：①无重映像/完全重映像/部分重映像。
②无重映像/重映像。
③部分重映像只适用于64、100和144脚的封装。
④重映像只适用于100和144脚的封装。

2.数据寄存器

见图4.16中②部分。

USART数据寄存器（USART_DR）只有低9位有效，并且第9位数据是否有效要取决于USART控制寄存器1（USART_CR1）的M位设置。M位为0表示8位数据字长；M位为1表示9位数据字长。我们一般使用8位数据字长。

USART_DR包含了已发送的数据或者接收到的数据。USART_DR实际上包含了两个寄存器：一个是专门用于发送的可写TDR，一个是专门用于接收的可读RDR。当进行发送操作时，往USART_DR写入数据会自动存储在TDR内；当进行读取操作时，向USART_DR读取数据会自动提取RDR数据。

TDR和RDR都介于系统总线和移位寄存器之间。串行通信是一个位一个位传输的，发送时把TDR内容转移到发送移位寄存器，然后把移位寄存器数据每位发送出去，接收时把接收到的每一位顺序保存在接收移位寄存器内，然后才转移到RDR。

USART支持DMA传输，可以实现高速数据传输。

3.控制器

见图4.16中③部分。

USART有专门控制发送的发送器、控制接收的接收器，还有唤醒单元、中断控制等。使用USART之前需要向USART_CR1寄存器的UE位置1，使能USART。发送或者接收数据字长可选8位或9位，由USART_CR1的M位控制。

（1）发送器

当USART_CR1寄存器的发送使能位TE置1时，启动数据发送。发送移位寄存器的数据会在TX引脚输出，如果是同步模式，SCLK也输出时钟信号。

一个字符帧发送需要3个部分：起始位+数据帧+停止位。起始位是一个位周期的低电平，位周期就是每一位占用的时间；数据帧就是我们要发送的8位或9位数据，数据是从低位开始传输的；停止位是一定时间周期的高电平。

停止位时间长短是可以通过USART控制寄存器2（USART_CR2）的位13、12进行编程，可选0.5个、1个、1.5个和2个停止位。默认使用1个停止位。2个停止位适用于正常USART模式、单线模式和调制解调器模式；0.5个和1.5个停止位用于智能卡模式。

字长可以通过编程USART_CR1寄存器中的M位，选择成8或9位，具体发送字符时序图如图4.17所示。

当发送使能位TE置1之后，发送器先发送一个空闲帧（一个数据帧长度的高电平），接下来就可以往USART_DR寄存器写入要发送的数据。在写入最后一个数据后，需要等待USART状态奇存器（USART_SR）的TC位为1，表示数据传输完成。如果USART_CR1寄存器的TCIE位置1，将产生中断。

图4.17　字符发送时序图

在发送数据时，编程的时候有几个比较重要的标志位，具体功能如下。

TE：发送使能。

TXE：发送寄存器为空，发送单个字节的时候使用。

TC：发送完成，发送多个字节数时候使用。

TXIE：发送完成中断使能。

（2）接收器

如果将USART_CR1寄存器的RE位置1，使能USART接收，使得接收器在RX线开始搜索起始位。在确定起始位后就根据RX线电平状态把数据存放在接收移位寄存器内。接收完成后就把接收移位寄存器数据移到RDR内，并把USART_SR寄存器的RXNE位置1；同时，如果USART_CR2寄存器的RXNEIE置1的话，可以产生中断。

在接收数据时，编程的时候有几个比较重要的标志位，具体功能如下。

RE：接收位。(www.daowen.com)

RXNE：读数据寄存器非空。

RXNEIE：发送完成中断使能。

为得到一个信号真实情况，需要用一个比这个信号频率高的采样信号去检测，这称为过采样。这个采样信号的频率大小决定最后得到的源信号准确度，一般频率越高得到的准确度越高。但为了得到越高频率，采样信号也越困难，运算和功耗等也会增加。所以一般选择合适就好。

接收器可配置为不同的过采样技术，以实现从噪声中提取有效的数据。USART_CR1寄存器的OVER8位用来选择不同的采样方法，如果OVER8位设置为1采用8倍过采样，即用8个采样信号采样位数据；如果OVER8位设置为0，则采用16倍过采样，即用16个采样信号采样一位数据。

USART的起始位检测需要用到特定序列。如果在RX线识别到该特定序列，就认为是检测到了起始位。起始位检测对使用16倍或8倍过采样的序列都是一样的。该特定序列为1110X0X0X0000，其中“X”表示电平任意，1或0皆可。

16倍采样过程如图4.18所示。

图4.18　16倍采样过程

4.分数波特率的生成

波特率指数据信号对载波的调制速率，它用单位时间内载波调制状态改变次数来表示，单位为波特。比特率指单位时间内传输的比特数，单位为bit/s（bps）。对于USART波特率与比特率相等的情况，就不区分这两个概念。波特率越大，传输速率越快。

USART的发送器和接收器使用相同的波特率，计算公式如下：

其中，fCK为USART时钟，参考表4.5的值，USARTDIV是一个存放在波特率寄存器（USART_BRR）的一个无符号定点数。其中高16位保留，硬件强制为0，[15：4]位存放DIV_Mantissa[11：0]的值（USARTDIV的整数部分），[3：0]位存放DIV_Fraction[3：0]的值（USARTDIV的小数部分）。对上述参数进行设置便可得到相应的波特率。

例如：DIV_Mantissa=234，DIV_Fraction=6（即USART_BRR=0x0EA6），则：

波特率=36000000/（16×234.375）=9600　（USART2、USART3、USART4、USART5）

又例如：使用USART1，波特率为923.076Kbps

则：923076=72000000/（16*USARTDIV）　USARTDIV=4.875

注意：在写入USART_BRR之后，波特率计数器会被波特率寄存器的新值替换。因此，不要在通信进行中改变波特率寄存器的数值。

在计算DIV Fraction时经常出现小数情况，经过我们取舍得到整数，这样会导致最终输出的波特率较目标值略有偏差。设置常用波特率时的误差计算如表4.6所示。

表4.6　设置常用波特率时的误差计算表

注：①CPU的时钟频率越低，则某一特定波特率的误差也越低。可以达到的波特率上限可以由这组数据得到；②只有USART1使用PCLK2（最高72MHz）。其他USART使用PCLK1（最高36MHz）。

5.校验控制

STM32F103xx系列控制器的USART支持奇偶校验。当使用校验位时，串口传输的长度将是8位的数据帧加上1位的校验位，总共9位，此时USART_CR1寄存器的M位端要设置为1，即9数据位。将USART_CR1寄存器的PCE位置1就可以启动奇偶校验控制，奇偶校验由硬件自动完成。启动了奇偶校验控制之后，在发送数据帧时会自动添加校验位。接收数据时自动验证校验位。接收数据时如果出现奇偶校验位验证失败，会将USART_SR寄存器的PE位置1，并可以产生奇偶校验中断。

奇偶校验控制后，每个字符帧的格式将变成：起始位+数据帧+校验位+停止位。

6.中断控制

USART有多个中断请求事件，具体见表4.7所示。

表4.7　USART支持的中断请求表

7.多处理器通信

通过USART可以实现多处理器通信（将几个USART连在一个网络里）。例如，某个USART设备可以是主，它的TX输出和其他USART从设备的RX输入相连接；USART从设备各自的TX输出逻辑在一起，并且和主设备的RX输入相连接。

在多处理器配置中，我们通常希望只有被寻址的接收者才被激活，来接收随后的数据，这样就可以减少由未被寻址的接收器的参与带来的多余的USART服务开销。

未被寻址的设备可启用其静默功能置于静默模式。在静默模式里：

①任何接收状态位都不会被设置。

②所有接收中断被禁止。

③USART_CR1寄存器中的RWU位被置1。RWU可以被硬件自动控制或在某个条件下由软件写入。

根据USART_CR1寄存器中的WAKE位状态，USART可以用两种方法进入或退出静默模式。

①如果WAKE位被复位：进行空闲总线检测。

②如果WAKE位被设置：进行地址标记检测。

（1）空闲总线检测（WAKE=0）

当RWU位被写1时，USART进入静默模式。当检测到一空闲帧时，它被唤醒。然后RWU被硬件清零，但是USART_SR寄存器中的IDLE位并不置起。RWU还可以被软件写0。图4.19给出利用空闲总线检测来唤醒和进入静默模式的一个例子。

（2）地址标记（addressmark）检测（WAKE=1）

在这个模式里，如果MSB是1，该字节被认为是地址；否则，被认为是数据。在一个地址字节中，目标接收器的地址被放在4个LSB中。这个4位地址被接收器同它自己地址做比较，接收器的地址被编程在USART_CR2寄存器的ADD。

图4.19　利用空闲总线检测的静默模式

如果接收到的字节与它的编程地址不匹配时，USART进入静默模式。此时，硬件设置RWU位。接收该字节既不会设置RXNE标志，也不会产生中断或发出DMA请求，因为USART已经在静默模式。

当接收到的字节与接收器内编程地址匹配时，USART退出静默模式。然后RWU位被清零，随后的字节被正常接收。收到这个匹配的地址字节时将设置RXNE位，因为RWU位已被清零。当接收缓冲器不包含数据时（USART_SR的RXNE=0），RWU位可以被写0或1。否则，该次写操作被忽略。图4.19所示为利用地址标记检测来唤醒和进入静默模式的例子。

在图4.20中，当前的接收器地址是1（配置在USARVCR2寄在器中）。

图4.20　利用地址标记检测的静默模式