??作者：一只大喵咪1201
??專欄：《理解ARM架構(gòu)》
??格言：你只管努力，剩下的交給時(shí)間！

??操作寄存器實(shí)現(xiàn)UART

??UART原理

UART的全稱是Universal Asynchronous Receiver and Transmitter，即異步發(fā)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(diào)試信息；
• 外接各種模塊：GPS、藍(lán)牙；

串口因?yàn)榻Y(jié)構(gòu)簡單、穩(wěn)定可靠，廣受歡迎。

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

• 通信雙方的TXD與對方的RXD相連。

串口發(fā)送數(shù)據(jù)是以幀格式一幀一幀來發(fā)的，幀格式由1bit起始位，8或9bit數(shù)據(jù)位，1或1.5或2bit校驗(yàn)位，1bit停止位組成。

• 通常情況下都使用8bit數(shù)據(jù)位，不適用校驗(yàn)位，這樣的一幀數(shù)據(jù)有10個(gè)bit。

校驗(yàn)位又叫奇偶校驗(yàn)位，如果8個(gè)數(shù)據(jù)位加校驗(yàn)位中比特為位1的個(gè)數(shù)是奇數(shù)，校驗(yàn)位就是1，否則就是0。

由于現(xiàn)在電子技術(shù)的逐漸成熟，串口通信很少出錯(cuò)，所以校驗(yàn)位使用的不多。

如上圖所示是一幀數(shù)據(jù)傳送時(shí)的邏輯電平示意圖。

• 發(fā)送方將自己的TXD線從高電平拉到低電平，保持一段時(shí)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(shù)據(jù)了。
• 發(fā)送方按照自己發(fā)送的這個(gè)字節(jié)，從低位開始，改變TXD線的電平，每改變一次保持一段時(shí)間，如此反復(fù)8次完成一字節(jié)數(shù)據(jù)的發(fā)送。
• 接收方在自己RXD線上的電平保持期間的中間時(shí)刻，根據(jù)電平狀態(tài)記錄該比特位的值，最后組合成一字節(jié)數(shù)據(jù)。
• 發(fā)送方將一字節(jié)數(shù)據(jù)發(fā)送完畢后，將自己的TXD線拉高方便下次發(fā)送數(shù)據(jù)，接收方在接收到8bit數(shù)據(jù)以后，并且檢測到自己RXD線是高電平，就知道這一幀數(shù)據(jù)傳送完畢了。

上面描述數(shù)據(jù)發(fā)送過程中電平維持的時(shí)間，就是根據(jù)波特率來確定的，一般選波特率都會(huì)有9600,19200,115200等選項(xiàng)。

• 波特率：可以簡單理解為，串口通信過程中1秒鐘能發(fā)送的比特位個(gè)數(shù)。
• 波特率是通信雙方約定好的，一個(gè)按照這個(gè)速度發(fā)送數(shù)據(jù)，另一個(gè)按照這個(gè)速度接收數(shù)據(jù)。

邏輯電平：

如上圖所示是本喵使用的ARM開發(fā)板串口發(fā)出的電平信號(hào)，在xV至5V之間，就認(rèn)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(rèn)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(yuǎn)的距離，在工業(yè)上用得比較多。

可以看到，RS-232與TTL/CMOS相同邏輯電平對應(yīng)的真實(shí)電壓正負(fù)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(zhuǎn)換芯片，轉(zhuǎn)成RS232接口，連接到電腦的RS232串口上，實(shí)現(xiàn)兩者的數(shù)據(jù)傳輸。

如上圖所示，現(xiàn)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(zhuǎn)換成USB串口協(xié)議，即可通過USB與電腦數(shù)據(jù)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(shí)僅需要關(guān)心輸出的邏輯電平即可。

??編程

一款A(yù)RM芯片上會(huì)有多個(gè)USART串口，一般UART1用來輸出調(diào)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(gè)寄存器里實(shí)現(xiàn)。

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(jù)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(shí)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(shí)器，所以PA9和PA10的默認(rèn)復(fù)用功能就是USART1，使用默認(rèn)值即可。

設(shè)置串口參數(shù)：

• 設(shè)置波特率

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

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

以常用的波特率115200為例，來計(jì)算該寄存器的值：

設(shè)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(jù)這兩個(gè)值再來倒推一下真實(shí)的波特率：

真實(shí)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(diǎn)差距，但是并不影響。

• 設(shè)置數(shù)據(jù)格式

如上圖所示USART1_CR1寄存器，本喵將幀格式設(shè)置為1個(gè)起始位，8個(gè)數(shù)據(jù)位，無校驗(yàn)位，1個(gè)停止位，所以將bit13設(shè)置1，bit12設(shè)置為0，bit10設(shè)置為0，bit3設(shè)置為1，bit2設(shè)置為1。

但是此時(shí)并沒有設(shè)置幾個(gè)停止位，還需要設(shè)置另一個(gè)寄存器：

如上圖所示USART_CR2寄存器，將bit12~bit13設(shè)置為00，表示1個(gè)停止位。

根據(jù)狀態(tài)寄存器讀寫數(shù)據(jù)：

如上圖所示串口模塊結(jié)構(gòu)圖，發(fā)送有一個(gè)發(fā)送數(shù)據(jù)寄存器和發(fā)送移位寄存器，接收有一個(gè)接收數(shù)據(jù)寄存器和接收移位寄存器。

發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，CPU將數(shù)據(jù)寫入到發(fā)送數(shù)據(jù)寄存器，然后由發(fā)送移位寄存器一位一位將數(shù)據(jù)通過TXD線發(fā)送出去。

接收數(shù)據(jù)時(shí)，RXD線上的數(shù)據(jù)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(gè)字節(jié)數(shù)據(jù)放入到接收數(shù)據(jù)寄存器，CPU從接收數(shù)據(jù)寄存器中可以直接讀取數(shù)據(jù)。

• 狀態(tài)寄存器

如上圖所示USART_SR狀態(tài)寄存器，TXE表示發(fā)送數(shù)據(jù)寄存器是否為空，該位并不能說明數(shù)據(jù)已經(jīng)發(fā)送完了，因?yàn)檎嬲l(fā)送數(shù)據(jù)的是移位寄存器，只能說發(fā)送數(shù)據(jù)寄存器將數(shù)據(jù)給了移位寄存器，CPU可以再向數(shù)據(jù)寄存器中寫數(shù)據(jù)了。

TC表示發(fā)送數(shù)據(jù)完成，即發(fā)送數(shù)據(jù)寄存器和移位寄存器中的數(shù)據(jù)都發(fā)送完畢了。RXNE表示接收數(shù)據(jù)寄存器中有數(shù)據(jù)了，說明已經(jīng)接收到了數(shù)據(jù)，CPU可以來讀取了。

• 數(shù)據(jù)寄存器

如上圖所示USART_DR寄存器，寫、讀這個(gè)寄存器，就可以發(fā)送、讀取串口數(shù)據(jù)。

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(shí)候并沒有說它的地址，因?yàn)闊o論是設(shè)置波特率的USART_BRR，還是設(shè)置數(shù)據(jù)格式的USART_CR1，再或者狀態(tài)寄存器USART_SR，以及數(shù)據(jù)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(gè)基地址的基礎(chǔ)上進(jìn)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(gè)結(jié)構(gòu)體來表示USART模塊，里面的成員變量表示各個(gè)寄存器，讓它們在結(jié)構(gòu)體中的偏移量和寄存器相對于USART模塊的偏移量相對應(yīng)，此時(shí)就可以通過訪問這個(gè)結(jié)構(gòu)體訪問到各個(gè)寄存器。

如上圖所示是整個(gè)串口的初始化代碼，其中配置波特率等參數(shù)使用的是結(jié)構(gòu)體訪問的寄存器，串口結(jié)構(gòu)體是一個(gè)局部變量。

如上圖所示，定義發(fā)送一個(gè)字符和接收一個(gè)字符的函數(shù)，通過判斷狀態(tài)寄存器的值，進(jìn)而讀寫DR寄存器，也是通過結(jié)構(gòu)體訪問的寄存器，結(jié)構(gòu)體是一個(gè)局部變量。

如上圖，此時(shí)將程序燒錄到開發(fā)板以后，會(huì)通過串口發(fā)送Hello字符串，在PC端發(fā)送一個(gè)字符，板子接收到以后返回該字符及下一個(gè)字符，此時(shí)我們的串口是配置好了。

問題：為什么每個(gè)函數(shù)中都得創(chuàng)建一個(gè)uart1結(jié)構(gòu)體局部變量，而不是創(chuàng)建全局變量供這些函數(shù)使用呢？

??段的概念

如上圖所示，增加三個(gè)函數(shù)，用來打印字符串及變量的地址。

如上圖所示，創(chuàng)建四個(gè)全局變量，g_ConstChar被const修飾，然后在mymain中分別打印四個(gè)變量的地址及它們的值。

將程序編譯后燒錄到開發(fā)板中，通過串口工具來觀察輸出的內(nèi)容。

如上圖所示，來看這四個(gè)變量的地址，只有g_ConstChar這個(gè)被const修飾的變量地址是位于Flash中的，其他幾個(gè)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(jù)這兩個(gè)參數(shù)很容易判斷出這四個(gè)變量所處的位置。

如上圖，再來看輸出的這四個(gè)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(gè)變量都沒有輸出對應(yīng)的則，而是奇怪的東西。

• 其他變量輸出的奇怪值表明，這幾個(gè)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(gè)變量位于RAM，RAM是可讀可寫的。

在編譯的時(shí)候，編譯器進(jìn)行了判斷處理，g_ConstChar是只讀的，不會(huì)寫，所以把它放在Flash就可以。

• Flash上存放這種只讀數(shù)據(jù)的區(qū)域叫做只讀數(shù)據(jù)段。

其他三個(gè)變量會(huì)進(jìn)行讀和寫的操作，所以編譯器給了它們一個(gè)鏈接地址，這個(gè)地址對應(yīng)在RAM上，方便CPU進(jìn)行讀寫。

• RAM上存放這種可讀可寫全局變量的區(qū)域叫做可讀可寫數(shù)據(jù)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(gè)兩個(gè)數(shù)值是不會(huì)變的，只是用來使用的，所以編譯器將這兩個(gè)值放在這兩個(gè)變量位于Flash上的地址處(加載地址)。

• 有幾個(gè)有初始值的全局變量，F(xiàn)lash中就會(huì)保存幾個(gè)初始值。
• Flash以及內(nèi)存中并沒有變量名，只會(huì)在變量的地址處直接存放數(shù)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，F(xiàn)lash上就沒有必要存放它們的初始值。

假設(shè)初始值為0的變量有一萬個(gè)，F(xiàn)lash中難道要存放1萬個(gè)0嗎？肯定不會(huì)的，這樣浪費(fèi)內(nèi)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(huì)存放它的初始值了。

所以編譯器在編譯的時(shí)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(gè)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(qū)域被叫做BSS段或者ZI段。

我們寫的代碼經(jīng)過編譯鏈接以后，會(huì)生成一個(gè)二進(jìn)制可執(zhí)行文件，里面全部都是機(jī)器碼，這部分代碼并不會(huì)改變，所以也存放到Flash上。

• 存放代碼的Flash區(qū)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(xì)講解過，這里就不再說了，有興趣的小伙伴可以移步單片機(jī)中的C語言。

所以，程序分為這幾個(gè)段：

• 代碼段(RO-CODE)：就是程序本身，不會(huì)被修改
• 可讀可寫的數(shù)據(jù)段(RW-DATA)：有初始值的全局變量、靜態(tài)變量，需要從ROM上復(fù)制到內(nèi)存
• 只讀的數(shù)據(jù)段(RO-DATA)：可以放在ROM上，不需要復(fù)制到內(nèi)存
• BSS段或ZI段：
  • 初始值為0的全局變量或靜態(tài)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(tài)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(yùn)行時(shí)生成
• 堆：一塊空閑空間，使用malloc函數(shù)來管理它，malloc函數(shù)可以自己寫

??IDE背后的命令

IDE指集成開發(fā)環(huán)境(Integrated Development Environment)。我們開發(fā)STM32F103等單片機(jī)程序時(shí)使用是keil5就是一種IDE。

使用IDE，很容易操作，點(diǎn)點(diǎn)鼠標(biāo)就可完成，添加文件，指定文件路徑(頭文件路徑、庫文件路徑)，指定鏈接庫，編譯、鏈接，下載、調(diào)試等功能。

其實(shí)在我們點(diǎn)下某一個(gè)按鈕以后，IDE的背后會(huì)執(zhí)行一系列指令：

如上圖，在keil5的Output選擇中勾選Create Batch File，然后重新全部編譯。

如上圖，此時(shí)在當(dāng)前工程的Objects目錄下會(huì)多出上面紅色框中的四個(gè)文件。

如上圖所示分別是這幾個(gè)文件中的內(nèi)容，都是一系列的命令行指令，用來編譯和鏈接文件的指令，具體怎么用不用管，只需要知道有這些東西。

• start._ia中的命令行就是在讓start.s匯編文件編譯成start.o目標(biāo)文件。
• main._i中的命令行就是在讓main,c源文件編譯成main.o目標(biāo)文件。
• uart._i中的命令行就是在讓uart.c源文件編譯成uart.o目標(biāo)文件。
• led.linp中的命令行就是把這幾個(gè).o目標(biāo)文件鏈接在一起形成一個(gè)二進(jìn)制可執(zhí)行文件led.axf，我們燒錄的就是這個(gè)文件。

當(dāng)我們點(diǎn)下IDE上的編譯選項(xiàng)時(shí)，IDE會(huì)自動(dòng)執(zhí)行上面四個(gè)文件中的內(nèi)容，最后生成我們需要的東西。

??總結(jié)

雖然配置串口已經(jīng)是一個(gè)老生常談的問題了，但是相信大家很少直接使用寄存器地址來配置吧，這個(gè)過程中可以加深對ARM架構(gòu)的理解。

串口配好后通過打印數(shù)據(jù)過程中出現(xiàn)的問題介紹了段的概念，編譯器不同類型的變量放在內(nèi)存中不同的位置。

要意識(shí)到，編譯一個(gè)工程的背后沒有那么簡單。文章來源地址http://www.zghlxwxcb.cn/news/detail-754619.html

到了這里，關(guān)于【理解ARM架構(gòu)】操作寄存器實(shí)現(xiàn)UART | 段的概念 | IDE背后的命令的文章就介紹完了。如果您還想了解更多內(nèi)容，請?jiān)谟疑辖撬阉鱐OY模板網(wǎng)以前的文章或繼續(xù)瀏覽下面的相關(guān)文章，希望大家以后多多支持TOY模板網(wǎng)！