UART и USART в STM32: настройка, скорость, приём по DMA

Порты и выводы

Скорости — из DS5319 (раздел 2.3.17) и DS8626 (таблица 5): у STM32F407 первое число — при передискретизации 16, второе — при 8. У старших STM32F1 есть ещё UART4 и UART5, у STM32F42x/43x — UART7 и UART8. Выводы по умолчанию для USART1 — PA9 (TX) и PA10 (RX). У STM32F1 их можно перенести на PB6 и PB7 битом USART1_REMAP, у STM32F4 нужные выводы выбирают в таблице альтернативных функций: USART1–USART3 — AF7, UART4, UART5 и USART6 — AF8. Режимы выводов: TX — альтернативная функция с двухтактным выходом, RX — вход без подтяжки или с подтяжкой вверх (RM0008, таблица 24). Подробнее — в статье о GPIO STM32.

Скорость и регистр BRR

Скорость передачи и приёма задаёт один делитель (RM0008, раздел 27.3.4; RM0090, раздел 30.3.4):

У STM32F1 бита OVER8 нет, и формула сводится к f_CK/(16 · USARTDIV). f_CK — частота шины: PCLK2 для USART1 (и USART6 у F4), PCLK1 для остальных портов. USARTDIV — дробное число в регистре BRR: биты 15–4 — целая часть DIV_Mantissa, биты 3–0 — дробь DIV_Fraction в шестнадцатых. При OVER8 = 1 дробь занимает 3 бита, а бит 3 должен оставаться нулём.

Примеры из RM0008: BRR = 0x1BC — это USARTDIV = 27 + 12/16 = 27,75. Чтобы получить USARTDIV = 25,62, дробь округляют до ближайших шестнадцатых — 0,62 · 16 = 9,92 → 10, BRR = 0x19A, фактически 25,625. Если при округлении дробь доходит до 16, её переносят в целую часть: 50,99 превращается в BRR = 0x330, то есть ровно 51.

Значения для STM32F103 — из таблицы 192 RM0008, для STM32F407 посчитаны по той же формуле с округлением дроби до шестнадцатых. Наибольшая скорость получается при USARTDIV = 1: f_CK/16 — 4,5 Мбит/с при 72 МГц. С OVER8 = 1 у STM32F4 предел вдвое выше, но приёмник хуже переносит ошибку частоты, и RM0090 рекомендует OVER8 = 0 там, где важна устойчивость. Записывать BRR во время обмена нельзя: счётчики делителя перезагружаются сразу после записи.

Допуск приёмника и выбор генератора

Приёмник ловит спад старт-бита и дальше берёт отсчёты в середине каждого бита. При передискретизации 16 он проверяет старт-бит отсчётами 3, 5, 7 и 8, 9, 10, а уровень бита данных решает большинство из отсчётов 8, 9 и 10; если они не совпали, ставится флаг шума NE (RM0008, раздел 27.3.3, таблица 191). Поэтому ошибка частоты накапливается к концу кадра: к последнему стоп-биту отсчёт не должен уйти за его границу.

RM0008 (раздел 27.3.5) складывает ошибку из четырёх частей: отклонение частоты передатчика, округление делителя приёмника, отклонение генератора приёмника и искажения в линии. Их сумма должна быть меньше допуска приёмника:

Это допуски при передискретизации 16 (RM0008, таблицы 193 и 194; RM0090, таблицы 144 и 145). «Один отсчёт» — режим ONEBIT = 1 у STM32F4, когда уровень бита определяет единственный отсчёт в середине; у STM32F1 те же числа соответствуют случаю, когда флаг шума NE не считается ошибкой. При OVER8 = 1 допуск у STM32F4 ниже: 2,5 % и 2 % с тремя отсчётами, 3,75 % и 3 % с одним (для M = 0).

Отсюда практический вывод о генераторе. Частота внутреннего RC-генератора HSI с заводской калибровкой у STM32F103 отклоняется на −2…+2,5 % в диапазоне −40…105 °C (DS5319, таблица 24), у STM32F407 — на −8…+4,5 % (DS8626, таблица 34; при 25 °C — ±1 %). Если вторая сторона работает от кварца, STM32F103 на HSI ещё укладывается в допуск 3,33–3,75 % при комнатной температуре, но с запасом в доли процента, а STM32F407 на холоде может из него выйти. Для надёжной связи UART тактируют от кварца HSE через PLL — частоты шин для своей схемы тактирования можно проверить в калькуляторе тактирования.

Передача: TXE и TC

Регистр DR при записи попадает в буфер передачи TDR, откуда данные переходят в сдвиговый регистр. Флаг TXE означает, что TDR свободен и можно писать следующий байт: он сбрасывается записью в DR. Флаг TC ставится, когда закончен кадр, включая стоп-бит, и в TDR нет нового байта (RM0008, раздел 27.3.2). Отсюда два правила:

• для потока данных ждут TXE — следующий байт успевает лечь в буфер, пока передаётся текущий, и между кадрами нет пауз;
• перед выключением USART, уходом в режим пониженного потребления и переключением направления драйвера RS-485 обязательно ждут TC = 1, иначе последний байт обрежется.

TC сбрасывается чтением SR и последующей записью в DR или записью нуля в бит TC. Бит SBK отправляет символ BREAK — кадр из нулей длиной 10 или 11 бит, — который используется, например, в LIN.

Приём и ошибки

Флаг RXNE ставится, когда принятый байт перешёл в DR. Чтение DR сбрасывает его. Вместе с байтом могут появиться флаги ошибок:

ORE, NE, FE, PE и IDLE сбрасываются последовательностью «чтение SR, затем чтение DR» (RM0008, 27.6.1). Прерывание по RXNE (бит RXNEIE) вызывается и при ORE: обработчик, который читает DR только при RXNE, но не проверяет ORE, рискует зациклиться, если флаг ORE остался стоять без RXNE. Флаг IDLE после сброса не поднимется снова, пока не будет принят хотя бы один байт.

Простой обработчик приёма в кольцевой буфер:

void USART1_IRQHandler(void)
{
    uint32_t sr = USART1->SR;
    if (sr & (USART_SR_RXNE | USART_SR_ORE)) {
        uint8_t b = (uint8_t)USART1->DR;   /* the SR then DR read also clears ORE, NE, FE */
        if (!(sr & (USART_SR_FE | USART_SR_PE)))
            ring_put(b);
    }
}

Приём через DMA и линию IDLE

На высоких скоростях прерывание на каждый байт отнимает много времени, и надёжнее отдать приём DMA. Бит DMAR регистра CR3 заставляет USART запрашивать DMA на каждый принятый байт, DMAT — на каждый TXE (RM0008, раздел 27.3.13). Запросы закреплены за каналами DMA:

Таблица — по RM0008 (таблица 78) и RM0090 (таблицы 43 и 44). Для пакетов неизвестной длины — команд, NMEA, Modbus — удобна связка DMA в кольцевом режиме и прерывания IDLE. DMA непрерывно пишет байты в кольцевой буфер, а флаг IDLE поднимается, когда передатчик замолчал хотя бы на длительность кадра. В обработчике IDLE позицию записи узнают по счётчику DMA, который уменьшается с каждым байтом и в кольцевом режиме перезагружается.

Пример для USART2 STM32F407 (DMA1, поток 5, канал 4):

#include "stm32f4xx.h"

#define RX_SIZE 256U
static uint8_t rx_buf[RX_SIZE];
static uint32_t rx_tail;            /* next byte the application has not read yet */

void usart2_init(void)              /* PCLK1 = 42 MHz, 115200 baud, PA2 = TX, PA3 = RX */
{
    RCC->AHB1ENR |= RCC_AHB1ENR_GPIOAEN | RCC_AHB1ENR_DMA1EN;
    RCC->APB1ENR |= RCC_APB1ENR_USART2EN;

    GPIOA->MODER = (GPIOA->MODER & ~(GPIO_MODER_MODER2 | GPIO_MODER_MODER3))
                 | GPIO_MODER_MODER2_1 | GPIO_MODER_MODER3_1;
    GPIOA->AFR[0] = (GPIOA->AFR[0] & ~(GPIO_AFRL_AFSEL2 | GPIO_AFRL_AFSEL3))
                  | (7U << GPIO_AFRL_AFSEL2_Pos) | (7U << GPIO_AFRL_AFSEL3_Pos);

    DMA1_Stream5->CR = 0;
    while (DMA1_Stream5->CR & DMA_SxCR_EN) {}
    DMA1_Stream5->PAR  = (uint32_t)&USART2->DR;
    DMA1_Stream5->M0AR = (uint32_t)rx_buf;
    DMA1_Stream5->NDTR = RX_SIZE;
    DMA1_Stream5->CR = (4U << DMA_SxCR_CHSEL_Pos)   /* channel 4: USART2_RX */
                     | DMA_SxCR_MINC | DMA_SxCR_CIRC  /* peripheral to memory, ring buffer */
                     | DMA_SxCR_EN;

    USART2->BRR = (22U << 4) | 13U;                 /* USARTDIV 22.8125: 115068 baud */
    USART2->CR3 = USART_CR3_DMAR;
    USART2->CR1 = USART_CR1_UE | USART_CR1_TE | USART_CR1_RE | USART_CR1_IDLEIE;
    NVIC_EnableIRQ(USART2_IRQn);
}

void USART2_IRQHandler(void)
{
    if (USART2->SR & USART_SR_IDLE) {
        (void)USART2->DR;                           /* SR then DR read clears IDLE */
        uint32_t head = RX_SIZE - DMA1_Stream5->NDTR;
        while (rx_tail != head) {
            packet_byte(rx_buf[rx_tail]);
            rx_tail = (rx_tail + 1U) % RX_SIZE;
        }
        packet_end();
    }
}

У STM32F1 то же делает канал DMA: для USART1 — DMA1_Channel5 с регистрами CPAR, CMAR, CNDTR и битами MINC и CIRC в CCR. Если пакет может оказаться длиннее буфера, включают ещё прерывания DMA по половине и концу буфера и забирают данные в них.

Полудуплекс и RS-485

Бит HDSEL регистра CR3 соединяет TX и RX внутри: обмен идёт по одному проводу через вывод TX (RM0008, раздел 27.3.10). Пока USART ничего не передаёт, он отпускает линию, поэтому вывод TX настраивают как выход с открытым стоком в единице и подтягивают линию резистором. Конфликты на линии аппаратура не разрешает: передача начинается сразу после записи в DR, и очередь передатчиков должна соблюдать программа. В этом режиме биты LINEN, CLKEN, SCEN и IREN должны быть сброшены.

Для RS-485 нужен внешний драйвер — например, MAX485 — и вывод, который переключает его на передачу. В списке возможностей USART STM32F1 и STM32F4 (RM0008, 27.2; RM0090, 30.2) аппаратного управления драйвером нет, поэтому направление переключают выводом GPIO: включают передатчик перед записью первого байта и выключают по флагу TC после последнего. Как устроена сама линия — в статье о RS-485.

Аппаратное управление потоком включают битами RTSE и CTSE регистра CR3: RTS остаётся низким, пока приёмник готов принять байт, а передатчик ждёт низкого уровня на CTS перед каждым кадром (RM0008, раздел 27.3.14).

Пример: USART1 STM32F103

Передача и приём на 115 200 бит/с при PCLK2 = 72 МГц, выводы PA9 и PA10:

#include "stm32f1xx.h"

void usart1_init(void)
{
    RCC->APB2ENR |= RCC_APB2ENR_IOPAEN | RCC_APB2ENR_USART1EN;

    /* PA9 = TX: alternate function push-pull, 10 MHz (MODE9 = 01, CNF9 = 10);
       PA10 = RX stays a floating input after reset */
    GPIOA->CRH = (GPIOA->CRH & ~(GPIO_CRH_MODE9 | GPIO_CRH_CNF9))
               | GPIO_CRH_MODE9_0 | GPIO_CRH_CNF9_1;

    USART1->BRR = 0x271;            /* USARTDIV = 39.0625: 115200 baud at 72 MHz */
    USART1->CR1 = USART_CR1_UE | USART_CR1_TE | USART_CR1_RE | USART_CR1_RXNEIE;
    NVIC_EnableIRQ(USART1_IRQn);
}

void usart1_putc(char c)
{
    while (!(USART1->SR & USART_SR_TXE)) {}
    USART1->DR = (uint8_t)c;
}

void usart1_flush(void)             /* before sleep, disabling or turning an RS-485 driver */
{
    while (!(USART1->SR & USART_SR_TC)) {}
}

Частые ошибки

• Неверная частота шины в расчёте BRR — USART1 и USART6 тактируются от PCLK2, остальные от PCLK1. У STM32F103 на 72 МГц это 72 и 36 МГц, у STM32F407 на 168 МГц — 84 и 42 МГц.
• Выключение USART сразу после записи последнего байта — байт обрезается. Ждите TC.
• Ожидание TC вместо TXE в цикле передачи — между байтами появляются паузы, и скорость падает.
• Не сброшен ORE — после переполнения прерывание может срабатывать снова и снова. Читайте SR, затем DR.
• UART на HSI у STM32F407 — при изменении температуры частота уходит за допуск приёмника.
• TX в режиме входа — без режима альтернативной функции на выводе нет сигнала, а у STM32F4 ещё нужен правильный номер AF.
• DMA включён после USART — первые байты приходят раньше, чем канал готов, и теряются; сначала настраивают DMA, затем ставят DMAR и включают приём.