2018年06月10日 | STM32-串口通信printf重定向

前言：平时我们进行c语言编程的时候会经常用到printf函数进行打印输出，来调试代码。可是这个printf函数C库已经帮我们实现好了，通常只需要直接调用即可，但是如果在一个新的开发平台，如果库没有帮我们实现好，比如STM32开发板，那么我们怎么实现printf打印输出呢？

首先我们来了解一下串口通信！

1、什么是串口通信？

串口通信(Serial Communication)，是指外设和计算机间，通过数据信号线、地线等，按位进行传输数据的一种通讯方式。 
串口是一种接口标准，它规定了接口的电气标准，没有规定接口插件电缆以及使用的协议。

2、串口通信协议

在串口通信中，常用的协议包括RS-232、RS-422和RS-485。 
•RS-232：标准串口，最常用的一种串行通讯接口。有三种类型(A,B和C)，它们分别采用不同的电压来表示on和off。最被广泛使用的是RS-232C，它将mark(on)比特的电压定义为-3V到-12V之间，而将space(off)的电压定义到+3V到+12V之间。传送距离最大为约15米，最高速率为20kb/s。RS-232是为点对点（即只用一对收、发设备）通讯而设计的，其驱动器负载为3～7kΩ。所以RS-232适合本地设备之间的通信。 
•RS-422：最大传输距离为1219米，最大传输速率为10Mb/s。其平衡双绞线的长度与传输速率成反比，在100kb/s速率以下，才可能达到最大传输距离。只有在很短的距离下才能获得最高速率传输。一般100米长的双绞线上所能获得的最大传输速率仅为1Mb/s。 
•RS-485：从RS-422基础上发展而来的，最大传输距离约为1219米，最大传输速率为10Mb/s。平衡双绞线的长度与传输速率成反比，在100kb/s速率以下，才可能使用规定最长的电缆长度。只有在很短的距离下才能获得最高速率传输。一般100米长双绞线最大传输速率仅为1Mb/s。

3、同步通信？异步通信？

同步通信：是一种比特同步通信技术，要求发收双方具有同频同相的同步时钟信号，只需在传送报文的最前面附加特定的同步字符，使发收双方建立同步，此后便在同步时钟的控制下逐位发送/接收。如：SPI总线,I2C总线。 
异步通信：指两个互不同步的设备通过计时机制或其他技术进行数据传输。也就是说，双方不需要共同的时钟。发送方可以随时传输数据，而接收方必须在信息到达时准备好接收。如：串口（USART）

4、通信方式

•单工模式（Simplex Communication）：单向的数据传输。通信双方中，一方为发送端，一方则为接收端。信息只能沿一个方向传输，使用一根传输线。双方是固定的。 
•半双工模式（Half Duplex）：通信使用同一根传输线，既可以发送数据又可以接收数据，但不能同时进行发送和接收。数据传输允许数据在两个方向上传输，但是，在任何时刻只能由其中的一方发送数据，另一方接收数据。 
•全双工模式（Full Duplex）通信允许数据同时在两个方向上传输。因此，全双工通信是两个单工通信方式的结合，它要求发送设备和接收设备都有独立的接收和发送能力。在全双工模式中，每一端都有发送器和接收器，有两条传输线，信息传输效率高。

5、数据格式

（1）起始位：起始位必须是持续一个比特时间的“0”，标志传输一个字符的开始。 
（2）数据位：数据位紧跟在起始位之后，是通信中的真正有效信息。数据位的位数可以由通信双方共同约定，一般可以是5位、7位或8位。传输数据时先传送字符的低位，后传送字符的高位。 
（3）奇偶校验位：奇偶校验位仅占一位，用于进行奇校验或偶校验，奇偶检验位不是必须有的。如果是奇校验，需要保证传输的数据总共有奇数个“1”；如果是偶校验，需要保证传输的数据总共有偶数个“1”

（4）停止位：停止位可以是是1位、1.5位或2位，可以由软件设定。它一定是“1”，标志着传输一个字符的结束。 

了解了串口通信的基础知识之后，我们再来看看STM32开发板上是如何实现串口通信的，我以实现printf重定向为例来进行分析!

先看代码：

main.c:

1. #include "printf.h"  

2.   

3. int main()  

4. {       

5.     printf_init();    

6.         printf("\nhello!every body!\n");  

7.     printf("I am zoulei\n");  

8.     printf("serial communications is so  mystical and interesting!\n");  

9.     printf("keep striving!\n");  

10.       

11. }  

printf.c:

1. #include "printf.h"  

2. #include "stm32f10x.h"       

3. #include "stm32f10x_rcc.h"  

4. #include "stm32f10x_gpio.h"  

5. #include "stm32f10x_usart.h"       

6. #include "misc.h"     

7. int fputc(int ch,FILE *f)  

8. {    

9.     while(USART_GetFlagStatus(USART2,USART_FLAG_TC) != SET);   

10.     USART_SendData(USART2,(unsigned char)ch);      

11.     while(USART_GetFlagStatus(USART2,USART_FLAG_TC) != SET);    

12.     return (ch);    

13. }  

14.   

15. void printf_init(void)  

16. {  

17.     GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;    

18.     USART_InitTypeDef USART_InitStructure;  

19.       

20.        /*config USART clock*/  

21.     RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOA|RCC_APB2Periph_AFIO,ENABLE);   

22.     RCC_APB1PeriphClockCmd( RCC_APB1Periph_USART2,ENABLE);  

23.        /*USART1 GPIO config*/     

24.     GPIO_InitStructure.GPIO_Pin= GPIO_Pin_2;    

25.     GPIO_InitStructure.GPIO_Mode= GPIO_Mode_AF_PP; //复用推挽输出    

26.     GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;    

27.     GPIO_Init(GPIOA,&GPIO_InitStructure);   

28.       

29.       GPIO_InitStructure.GPIO_Pin= GPIO_Pin_3;    

30.     GPIO_InitStructure.GPIO_Mode= GPIO_Mode_IN_FLOATING;  //复用开漏输入    

31.     GPIO_Init(GPIOA,&GPIO_InitStructure);   

32.        /*USART1 mode Config*/     

33.     USART_InitStructure.USART_BaudRate = 115200;  

34.     USART_InitStructure.USART_WordLength = USART_WordLength_8b;  

35.     USART_InitStructure.USART_StopBits = USART_StopBits_1;  

36.     USART_InitStructure.USART_Parity = USART_Parity_No;  

37.     USART_InitStructure.USART_HardwareFlowControl = USART_HardwareFlowControl_None;  

38.     USART_InitStructure.USART_Mode = USART_Mode_Rx | USART_Mode_Tx;  

39.     USART_Init(USART2,&USART_InitStructure);  

40.     USART_Cmd(USART2,ENABLE);   

41.           

42.           

printf.h:

1. #ifndef __printf_H  

2. #define __printf_H  

3.   

4. #include "stm32f10x.h"  

5. #include   

6. void printf_init(void);  

7. int fputc(int ch,FILE *f);  

8.   

9. #endif  

代码分析：

1.串口初始化配置

学了STM串口通信之后，我们知道配置串口通信至少要配置：字长（一次传送的数据长度），波特率（每秒传输的数据位数），奇偶校验位，还有停止位。当然我在

配置过程中把他们分别设为8，115200，No ,1。

串口的配置主要与USART_InitTypeDef这个结构体有关，里面存放了控制参数成员：

1. typedef struct  

2. {  

3.   uint32_t USART_BaudRate;     //波特率        

4.   uint16_t USART_WordLength;     //字长      

5.   uint16_t USART_StopBits;         //停止位    

6.   uint16_t USART_Parity;         //奇偶校验位      

7.   uint16_t USART_Mode;           // 收发数据使能或失能                                             

8.   uint16_t USART_HardwareFlowControl; //硬件控制流  

9.                                           

10. } USART_InitTypeDef;  

其实在学习32的时候，一般如果要用到32的内设或者外设，都要进行相应的初始化，也就是相应的结构体成员进行配置，而我们本次要实现的printf重定向，也

就用到了串口，所以也要对串口进行初始化！而我是用的USART2,所以要对其进行相应的配置。

查看STM32硬件原理图：

由原理图可知，这个串口是支持TTL电平的，接收数据RX是接在PA3管脚上的，发送数据是接在PA2上的。由于我是要输出到PC上的串口终端，所以PA2要

设为复用推挽输出模式，PA3设为复用开漏输入模式。

查看stm32f10x_it.c这个代码可知USART2是挂接在APB1总线上的，GPIO是挂在APB2总线上的，如下所示：

所以我们在进行时钟初始化的时候要特别注意。

2.printf重定向

其实printf重定向就是我们将printf重新定向到串口，也就是我们可以自己重写C的库函数，当连接器检查到用户编写了与C库函数相同的名字，优先采用

用户编写的函数这样用户就可以实现对库的修改了。

 printf函数实际是一个宏，最终调用的是 fputc(int ch,FILE *f)这个函数，所以我们需要修改这个函数。

下面我们着重分析一下fputc函数：

    这个库函数调用了两个ST库函数，分别是：USART_GetFlagStatus()与USART_SendData()，形参ch表示串口将要发送的数据，也就是说。当使用printf()时，它先调用fpuc()函数，然后使用ST库的串口发送函数USART_SendData()，把数据转移到发送数据寄存器TDR.触发我们的串口向PC发送一个相应的数据，调用完USART_SendData()之后，

使用 while(USART_GetFlagStatus(USART2,USART_FLAG_TC) != SET)语句不停的检查串口的数据是否发送完成的标志位TC,一直检查到标志为“完成”，才进行下一步操作，

要注意的是USART_SendData()每次只发送一个字节的数据！

注意：由于fputc()函数的形参调用了C库的FILE,所以在程序中加入stdio.h这个头文件，便且在keil的编译器的设置中勾选Use MicroLIB(使用微库)

3.硬件连接

首先硬件上我们将USB转串口线的TXD,RXD，GND,分别接在32开发板USART2上的RXD,TXD,GND。

由于USART2是TTL电平，所以我们用的usb转串口线一定要是支持TTL电平的，否则串口通信不上！

4.效果图

串口调试助手显示：