【理解ARM架构】操作寄存器实现UART | 段的概念 | IDE背后的命令

🐱作者：一只大喵咪1201
🐱专栏：《理解ARM架构》
🔥格言：你只管努力，剩下的交给时间！

🍠操作寄存器实现UART

🍟UART原理

UART的全称是Universal Asynchronous Receiver and Transmitter，即异步发送和接收。
串口在嵌入式中用途非常的广泛，主要的用途有：

• 打印调试信息；
• 外接各种模块：GPS、蓝牙；

串口因为结构简单、稳定可靠，广受欢迎。

如上图所示，串口通信只需要三根线，发送(TXD)、接收(RXD)、地线(GND)。

• 通信双方的TXD与对方的RXD相连。

串口发送数据是以帧格式一帧一帧来发的，帧格式由1bit起始位，8或9bit数据位，1或1.5或2bit校验位，1bit停止位组成。

• 通常情况下都使用8bit数据位，不适用校验位，这样的一帧数据有10个bit。

校验位又叫奇偶校验位，如果8个数据位加校验位中比特为位1的个数是奇数，校验位就是1，否则就是0。

由于现在电子技术的逐渐成熟，串口通信很少出错，所以校验位使用的不多。

如上图所示是一帧数据传送时的逻辑电平示意图。

• 发送方将自己的TXD线从高电平拉到低电平，保持一段时间，接收方读取到自己的RXD线由高到底以后就知道要接收数据了。
• 发送方按照自己发送的这个字节，从低位开始，改变TXD线的电平，每改变一次保持一段时间，如此反复8次完成一字节数据的发送。
• 接收方在自己RXD线上的电平保持期间的中间时刻，根据电平状态记录该比特位的值，最后组合成一字节数据。
• 发送方将一字节数据发送完毕后，将自己的TXD线拉高方便下次发送数据，接收方在接收到8bit数据以后，并且检测到自己RXD线是高电平，就知道这一帧数据传送完毕了。

上面描述数据发送过程中电平维持的时间，就是根据波特率来确定的，一般选波特率都会有9600,19200,115200等选项。

• 波特率：可以简单理解为，串口通信过程中1秒钟能发送的比特位个数。
• 波特率是通信双方约定好的，一个按照这个速度发送数据，另一个按照这个速度接收数据。

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逻辑电平：

如上图所示是本喵使用的ARM开发板串口发出的电平信号，在xV至5V之间，就认为是逻辑1，在0V至yV之间就为逻辑0，这叫做TTL/CMOS逻辑电平。

如上图所示是RS-232逻辑电平，在-12V至-3V之间，就认为是逻辑1，在+3V至+12V之间就为逻辑0，RS-232的电平比TTL/CMOS高，能传输更远的距离，在工业上用得比较多。

可以看到，RS-232与TTL/CMOS相同逻辑电平对应的真实电压正负是相反的。

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如上图所示，ARM芯片上的串口都是TTL电平的，通过板子上或者外接的电平转换芯片，转成RS232接口，连接到电脑的RS232串口上，实现两者的数据传输。

如上图所示，现在的电脑越来越少有RS232串口的接口，但USB是几乎都有的。因此使用USB串口芯片将ARM芯片上的TTL电平转换成USB串口协议，即可通过USB与电脑数据传输。

• 无论那种接口，板子上的芯片IO口输出的都是TTL/CMOS电平，我们在写程序时仅需要关心输出的逻辑电平即可。

🍟编程

一款ARM芯片上会有多个USART串口，一般UART1用来输出调试信息，这里本喵也使用USART1。

确定引脚：

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

将引脚配置为UART功能：

• 使能GPIOA/USART1模块

如上图是，RCC_APB2ENR寄存器，GPIOA模块、USART1模块的使能都是在这一个寄存器里实现。

如上图，从芯片手册中查看Reset and clock control RCC寄存器的基地址是0x40021000，再根据RCC_APB2ENR的偏移地址0x18得到该寄存器的绝对地址是0x40021000 + 0x18。

将该寄存器的bit2和bit14写一，此时就使能了GPIOA和USART1模块。

• 配置引脚功能

从上面的芯片原理图可以知道，PA9、PA10有三种功能：GPIO、USART1、TIMER1，所以这里要将其配置为USAT1功能。

如上图所示GPIOx_CRH寄存器，该寄存器的绝对地址是0x40010800 + 0x04，PA9配置为输出，所以将MODE9代表的bit4和bit5配置成01，将CNF9代表的bit6和bit7配置为10。

PA10配置为输入，将MODE10代表的bit8和bit9配置为00，再将CNF10代表的bit10和bit11配置成01。

由于这里仅使能了USART1，没有使能定时器，所以PA9和PA10的默认复用功能就是USART1，使用默认值即可。

设置串口参数：

• 设置波特率

如上图所示是波特率的计算公式，USARTDIV由整数部分、小数部分组成，USARTDIV = DIV_Mantissa + (DIV_Fraction / 16) 。f_ck是内部时钟频率，这里就使用默认值，是8MHZ。

如上图USART_BRR寄存器，DIV_Mantissa表示整数部分，占用该寄存器的bit4~bit15，DIV_Fraction表示小数部分，占用该寄存器的bit0~bit3。

以常用的波特率115200为例，来计算该寄存器的值：

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

所以给USART_BRR寄存器的bit4~bit15赋值4，bit0~bit3赋值5，根据这两个值再来倒推一下真实的波特率：

真实波特率:* 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，虽然和115200有点差距，但是并不影响。

• 设置数据格式

如上图所示USART1_CR1寄存器，本喵将帧格式设置为1个起始位，8个数据位，无校验位，1个停止位，所以将bit13设置1，bit12设置为0，bit10设置为0，bit3设置为1，bit2设置为1。

但是此时并没有设置几个停止位，还需要设置另一个寄存器：

如上图所示USART_CR2寄存器，将bit12~bit13设置为00，表示1个停止位。

根据状态寄存器读写数据：

如上图所示串口模块结构图，发送有一个发送数据寄存器和发送移位寄存器，接收有一个接收数据寄存器和接收移位寄存器。

发送数据时，CPU将数据写入到发送数据寄存器，然后由发送移位寄存器一位一位将数据通过TXD线发送出去。

接收数据时，RXD线上的数据一位一位放入接收移位寄存器，该寄存器接收完毕后将整个字节数据放入到接收数据寄存器，CPU从接收数据寄存器中可以直接读取数据。

• 状态寄存器

如上图所示USART_SR状态寄存器，TXE表示发送数据寄存器是否为空，该位并不能说明数据已经发送完了，因为真正发送数据的是移位寄存器，只能说发送数据寄存器将数据给了移位寄存器，CPU可以再向数据寄存器中写数据了。

TC表示发送数据完成，即发送数据寄存器和移位寄存器中的数据都发送完毕了。RXNE表示接收数据寄存器中有数据了，说明已经接收到了数据，CPU可以来读取了。

• 数据寄存器

如上图所示USART_DR寄存器，写、读这个寄存器，就可以发送、读取串口数据。

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在配置完引脚和功能选择以后，本喵在介绍USART_XXX寄存器的时候并没有说它的地址，因为无论是设置波特率的USART_BRR，还是设置数据格式的USART_CR1，再或者状态寄存器USART_SR，以及数据寄存器USART_DR这些都是以USART为基地址的。

如上图所示USART1的基地址是0x40013800，上面本喵提到的这些寄存器都是在这个基地址的基础上进行偏移，也就是说它们都属于USART1模块中的寄存器。

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;

如上面代码所示，用一个结构体来表示USART模块，里面的成员变量表示各个寄存器，让它们在结构体中的偏移量和寄存器相对于USART模块的偏移量相对应，此时就可以通过访问这个结构体访问到各个寄存器。

如上图所示是整个串口的初始化代码，其中配置波特率等参数使用的是结构体访问的寄存器，串口结构体是一个局部变量。

如上图所示，定义发送一个字符和接收一个字符的函数，通过判断状态寄存器的值，进而读写DR寄存器，也是通过结构体访问的寄存器，结构体是一个局部变量。

如上图，此时将程序烧录到开发板以后，会通过串口发送Hello字符串，在PC端发送一个字符，板子接收到以后返回该字符及下一个字符，此时我们的串口是配置好了。

问题：为什么每个函数中都得创建一个uart1结构体局部变量，而不是创建全局变量供这些函数使用呢？

🍠段的概念

如上图所示，增加三个函数，用来打印字符串及变量的地址。

如上图所示，创建四个全局变量，g_ConstChar被const修饰，然后在mymain中分别打印四个变量的地址及它们的值。

将程序编译后烧录到开发板中，通过串口工具来观察输出的内容。

如上图所示，来看这四个变量的地址，只有g_ConstChar这个被const修饰的变量地址是位于Flash中的，其他几个变量都是位于RAM中。

如上图，keil中只能了Flash和RAM的起始地址，根据这两个参数很容易判断出这四个变量所处的位置。

如上图，再来看输出的这四个变量的值，可以看到，只有const修饰的g_ConstChar变量输出了B，其他几个变量都没有输出对应的则，而是奇怪的东西。

• 其他变量输出的奇怪值表明，这几个变量地址处的值是乱码。

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g_ConstChar变量位于Flash，也就是ROM，ROM是只读的，不能写，而其他三个变量位于RAM，RAM是可读可写的。

在编译的时候，编译器进行了判断处理，g_ConstChar是只读的，不会写，所以把它放在Flash就可以。

• Flash上存放这种只读数据的区域叫做只读数据段。

其他三个变量会进行读和写的操作，所以编译器给了它们一个链接地址，这个地址对应在RAM上，方便CPU进行读写。

• RAM上存放这种可读可写全局变量的区域叫做可读可写数据段。

无论有没有被const修饰的变量，它们都有初始值A或者B，这个两个数值是不会变的，只是用来使用的，所以编译器将这两个值放在这两个变量位于Flash上的地址处(加载地址)。

• 有几个有初始值的全局变量，Flash中就会保存几个初始值。
• Flash以及内存中并没有变量名，只会在变量的地址处直接存放数值。

像char g_A = 0这种初始值为0的全局变量，以及char g_B这种没有初始值的全局变量，Flash上就没有必要存放它们的初始值。

假设初始值为0的变量有一万个，Flash中难道要存放1万个0吗？肯定不会的，这样浪费内存不说，还没有任何意义。对于没有初始值的全局变量Flash中更不会存放它的初始值了。

所以编译器在编译的时候，直接给这种初始值为0或者没有初始值的全局变量分配一个链接地址，位于RAM中，CPU直接去链接地址读写就可以了。

• 这种存放初始值为0或者没有初始值所在的RAM区域被叫做BSS段或者ZI段。

我们写的代码经过编译链接以后，会生成一个二进制可执行文件，里面全部都是机器码，这部分代码并不会改变，所以也存放到Flash上。

• 存放代码的Flash区域被叫做代码段。

至于栈以及堆本喵在前面的文章中就详细讲解过，这里就不再说了，有兴趣的小伙伴可以移步单片机中的C语言。

所以，程序分为这几个段：

• 代码段(RO-CODE)：就是程序本身，不会被修改
• 可读可写的数据段(RW-DATA)：有初始值的全局变量、静态变量，需要从ROM上复制到内存
• 只读的数据段(RO-DATA)：可以放在ROM上，不需要复制到内存
• BSS段或ZI段：
  • 初始值为0的全局变量或静态变量，没必要放在ROM上，使用之前清零就可以
  • 未初始化的全局变量或静态变量，没必要放在ROM上，使用之前清零就可以
• 局部变量：保存在栈中，运行时生成
• 堆：一块空闲空间，使用malloc函数来管理它，malloc函数可以自己写

🍠IDE背后的命令

IDE指集成开发环境(Integrated Development Environment)。我们开发STM32F103等单片机程序时使用是keil5就是一种IDE。

使用IDE，很容易操作，点点鼠标就可完成，添加文件，指定文件路径(头文件路径、库文件路径)，指定链接库，编译、链接，下载、调试等功能。

其实在我们点下某一个按钮以后，IDE的背后会执行一系列指令：

如上图，在keil5的Output选择中勾选Create Batch File，然后重新全部编译。

如上图，此时在当前工程的Objects目录下会多出上面红色框中的四个文件。

如上图所示分别是这几个文件中的内容，都是一系列的命令行指令，用来编译和链接文件的指令，具体怎么用不用管，只需要知道有这些东西。

• start._ia中的命令行就是在让start.s汇编文件编译成start.o目标文件。
• main._i中的命令行就是在让main,c源文件编译成main.o目标文件。
• uart._i中的命令行就是在让uart.c源文件编译成uart.o目标文件。
• led.linp中的命令行就是把这几个.o目标文件链接在一起形成一个二进制可执行文件led.axf，我们烧录的就是这个文件。

当我们点下IDE上的编译选项时，IDE会自动执行上面四个文件中的内容，最后生成我们需要的东西。

🍠总结

虽然配置串口已经是一个老生常谈的问题了，但是相信大家很少直接使用寄存器地址来配置吧，这个过程中可以加深对ARM架构的理解。

串口配好后通过打印数据过程中出现的问题介绍了段的概念，编译器不同类型的变量放在内存中不同的位置。

要意识到，编译一个工程的背后没有那么简单。