STM32学习USART之基础篇

今天分享USART设计前的基础知识。

下面我们先来了解一下有关通信的基本概念：

通信：两个设备之间进行数据交换时，称这个过程为两个设备间的通信。

并行通信：设备之间的数据是以一位一位的二进制数进行传输的，并行通信的方式就是传输的二进制数同时从主机发送，然后同时到达从机，其优点就是传输速度快、效率高，但当需要传输很多位数据时，就需要很多根数据线，造成成本偏高，还有就是其传输距离不远。

早期的打印机就使用并口来传输数据。下图为并口数据线：

串行通信：两设备之间的数据是一位一位的从主机发送，然后一位一位的到达从机，数据传送可在一根线上进行传输，其传输速度相对并行通信较慢，但其优点是成本低，可以远距离传输。下图为9针串口数据线。

串行通信的分类：当在串行通信方式下，发送数据是在时钟的控制下进行的，当主机和从机都用同一时钟(时钟的相位和幅值均相同)来进行数据传输时，称这种方式为同步串行通信。当主机和从机不使用同一时钟来进行数据传输时，称这种方式为异步串行通信方式。

主机：两个设备进行通信时，对另一个设备发送数据的设备称为主机。

从机：两个设备进行通信时，接收数据的设备称为从机。

我们已经知道并行通信方式虽然传输速度快，但传输数据位数多时，其所需要的数据线就很多，成本偏高，传输距离远，然而串行通信因其成本低，需要数据线少，传输距离远，而且随着技术的发展串行通信的数据传输速度也变得很快了，有些甚至比并行通信传输速度更快了，所以基于这些优点，串行通信的方式被广泛的使用。下面我们重点介绍串行通信。

串行通信

串行通信因其优势突出，被广泛运用，因此产生了一些串行通信的接口标准，如RS-232标准、RS-485标准、RS-422标准等，各个标准在使用过程中又衍生出了一些子标准，如RS-232标准下又有RS-232C类型等，因其各个标准特点不同，所以使用场合也就不同了，但相对于其他标准，RS-232使用较广泛(如大家的台式电脑主机后都有一个RS-232接口)，所以下面我们就以RS-232为例给大家进行介绍。

RS-232是串行通信的一种标准，在RS-232标准中主要规定了其通信接口、信号的电平标准、信号的用途。下图描述了基于RS-232标准的两设备之间的通信原理图：

从上图我们可以了解两个串口设备1和设备2之间使用RS-232标准进行通信的原理，因为控制器1/2使用TTL电平标准(正逻辑标准，逻辑“0”为0V，逻辑“1”为5V)，但RS-232标准使用的是电平标准是负逻辑标准(逻辑“0”为+3至+15V，逻辑“1”为-3至-15V)，所以当使用RS-232标准对这两个串行设备进行数据传输时，就需要在RS-232接口与控制器之间接一个电平转换芯片，两设备之间通过RS-232接口线连接(有25针或9针接口)，这样才能确保两设备正常通信。下面我们分别介绍一下RS-232标准的接口标准和电平标准。

1. 接口标准

RS-232标准有两种接口定义，一种为DB25接口，一种为DB9接口，DB25接口现已很少使用，大多数都使用DB9接口，下面我们对这两种接口进行介绍：

DB25接口

接口的各个引脚含义如上图所示，其中第2脚和第3脚分别为数据发送和接收脚，第7脚为信号地，其他脚为一些状态标志引脚，在使用时，将接口线对应接在两个设备上，即可正常通信。

DB9接口

从上图可以看出，DB9接口对DB25接口进行了简化，同样也能传输数据，且DB9被广泛使用，下面我们对DB9的各个引脚功能进行简要说明。

第一脚(DCD):

该引脚为接收线路信号检测，该信号是从发送设备->接收设备，用于告知接收设备是否收到载波信号。

第二脚(RXD):

数据接收引脚，用于接收数据。

第三脚(TXD):

数据发送引脚，用于发送数据。

第四脚(DTR):

数据终端准备就绪引脚，用于告知接收设备，发送设备是否准备就绪。

第五脚(SG):

信号地，用于给两个设备共地，因为两个设备之间地电位可能不一致，不一致就会影响数据收发的电平信号，所以必须给两设备进行共地，保证数据的正确传输。

第六脚(DSR):

数据准备好引脚，该信号用于接收设备告知发送设备数据发送准备就绪，随时可以发送数据。

第七脚(RTS):

请求发送引脚，该信号用于发送设备请求向接收设备发送数据。

第八脚(CTS):

清除发送引脚，该信号用于接收设备告知发送设备是否可以发送数据。

第九脚(RT):

振铃提示，表示接收端与线路已经接通。

在两个设备通信时，发送设备的TXD应该接接收设备的RXD，发送设备的RXD应该接接收设备的TXD，SG接SG，在现在的串口通信中，一般就使用这三根线来传输数据信号，具体接线图如下所示：

按上图对应接线正确，两设备就可正常通信。

2. 电平标准

前已提及，RS-232采用的是负逻辑电平标准，所以两设备(使用TTL电平)之间进行串口通信时，必须外加一个电平转换芯片(如MAX232)，才能保证通信成功，下面我们介绍RS-232的电平标准。

RS-232标准规定：

逻辑“1”电平为：-5—-15V或-3—-12V

逻辑“0”电平为：+5—+15V或+3—+12V

TTL电平规定(5V)：

逻辑“1”电平为：+2.4—+5V

逻辑“0”电平为：0—0.5V

当用不同电平表示同一逻辑信号时，可用下图对比：

上面讲了两个设备进行串口通信的硬件支持部分，那么两个设备间传输数据应该遵守一些规定，如开始和停止条件、传输数据的位数、传输数据的快慢(波特率)、数据校验等等，只有双方都遵循这些规定，才能使传输数据不容易出错，更加能保证通信过程的顺利进行。因此我们需要对这些规定有一定的了解。

3. 串行通信的分类

1) 同步通信

这种通信方式要求发送设备和接收设备的工作时钟频率一致，发送数据时一般要有一至两个同步字符，保证两设备时钟频率一致后然后开始传输数据，最后为校验位。该种方式可用下图表示：

2) 异步通信

这种通信方式不要求发送设备和接收设备的工作时钟频率一致，发送数据要有一个开始位，然后为数据位，后面有一个校验位和停止位，相邻两个数据之间常会有空闲位，其方式可用下图描述：

4.串行通信的方式

1) 单工通信：

两个设备之间数据传输时，数据只能从一个设备发送到另一个设备，收发固定，不能互换。可用下图表示上述传输过程：

2) 半双工通信：

两个设备之间数据传输时，两个设备都可以作为发送方或接收方，但同一时刻数据只能从一个设备发送到另一个设备。其数据传输线可以是一条或者两条。可用下图表示上述传输过程：

3)全双工通信：

两个设备之间进行数据传输时，双方都可以作为发送方或接收方，双方可同时双向传输数据，有两条数据传输线。可用下图表示上述传输过程：

5.数据传输协议

因串行同步通信方式对时钟要求很高，若两个设备间时钟频率稍有不一致，则会造成数据错误，所以我们一般都使用串行异步通信，这样对时钟要求就没那么严格，可以为我们使用，前已提及，两个设备间进行数据传输时，需要遵守一些约定，这样能保证数据正确发送，那么下面我们就来介绍一下这个约定。

1) 波特率

波特率为每秒钟传送二进制数码的位数，也称为比特率，单位为b/s，位/秒，它反映了数据传输的速度，波特率越高，数据传送越快，两设备进行数据传输时，需要把发送设备波特率和接收设备波特率设为一致，这样才能保证发送数据的速度和接收数据的速度一致，从而保证通信的正确进行。

我们常用的波特率为300b/s、600b/s、1200b/s、2400b/s、4800b/s、9600b/s、115200b/s。

2) 起始位

两设备要传输数据时，发送方要先发一个起始位告知对方我要发数据了，这样接收方才知道发送方要发数据了，就准备接收数据。起始位为一位二进制位，规定逻辑“0”为起始位。

3) 数据位

当发送一个起始位之后，接收方知道发送方要发送数据了，准备好之后，发送方就开始发数据了，数据位可以是5个二进制位或者6/7/8个二进制位，我们常取8个二进制位作为数据位，发送数据时，先发送低位后发送高位。

4) 校验位

数据发送完之后，需要判断数据是否和发送方发送的一致，用一个二进制位表示校验位，常用的校验方式有奇校验、偶校验等，奇校验要求数据位和校验位“1”的个数为奇数，偶校验要求数据位和校验位“1”的个数为偶数，校验位可一定程度解决数据出错问题，但也会有误差，当然也可以不设定校验位。

5) 结束位

当一次数据发送完毕后，发送方需要告知接收方这一次数据发送完毕，常用1位或2位二进制位表示，用逻辑“1”表示停止位。

当双方达成约定后，两个设备就可以进行数据传输了。

C语言中的动态内存-----栈内存

C语言程序的动态内存分为栈内存区域和堆内存区域两种。栈内存是由编译器管理的，而堆内存是由程序调用具体的库函数管理的。我们今天分析下栈内存的概念。

栈内存的使用在很大程度上依赖于处理器的硬件机制。在处理器中，一般有一个寄存器来表示当前栈指针的位置，通常在内存中分配一块区域，这块内存的上界（高内存地址）和下界（低内存地址）之间是可用的栈内存区域。

栈指针是一个指向栈区域内部的指针，也就是它的值是一个地址，这个地址位于栈区的下界和栈区的上界之间。栈指针把这个栈区域分为两个部分，一个是已经使用的区域，一个是没有使用的区域。

对于栈内存的增长方向有两种：一种是向上增长的，也就是低地址向高地址增长；另一个是向下增长的，高地址向低地址增长。在目前常见的体系结构和编译系统中，栈大多是向下增长的，我们也是看下这种常见的增长形式。在初始阶段，栈指针是指向栈区间的上界。随着栈使用量的增加，栈指针的值将向低地址移动，也就是在变小。

栈内存在使用过程中有一个重要的特性是先入后出，也就是后入栈的内容将先出栈，而先入栈的后出栈。类似于一个口的瓶子，先进去的在底下，要想底下的出来就先把上面的先倒出来。栈内存的使用情况见下图：

入栈的过程和出栈的过程我们安全用图形来表示，更形象些吧~

在入栈的过程中，如果栈指针的变化超出栈内存的区域，将发生栈溢出。

从图中看出栈指针的功能是标识当前的栈位置。对栈内存处理中，每次能够获取的内容都是最后可放入栈内存的内容，而每次放入栈内存中的内容都将位于栈区域的最后。

总的来说其实栈是一个先入后出的内存区域，栈指针是提供一种硬件的内存机制。

还有一个大家可能都没听说过，或者都没关注过的，我们来一起了解一下，就是满栈和空栈的概念，我们还是通过图来形容一下，这个是由处理器的体系结构决定的。与程序的编写没有关系，甚至编译器都不需要关注这个问题。无论在哪种情况下，栈指针都是已经使用的栈区域和未使用的栈区域的分界线。

在满栈的情况：栈指针当前的位置是已经使用的栈区域。

在空栈的情况：栈指针当期的位置是没有使用的栈区域。

这个仅供大家了解下就可以了，毕竟对于我们大多数人来说都是应用者，多了解点底层的总没错，但也不必太深挖。对于栈内存的概念我就分享到这里，其实这个对于写汇编的人来说就很有用处了，或者去多读一些汇编就很能清楚栈内存的妙用了。后续我分享堆内存的一些概念，话说知识是一点点积累的过程，有时候觉得前面有的知识点懵懵懂懂的突然连起来就又通透了。这就是坚持学习的作用，希望大家都能坚持多学，才能更会用。

8脚51单片机DIY时间显示+闹钟技术分享（一）

最近因为家里闹钟被小朋友摔坏了，所以想着买来买去还是没什么新意，不如自己做一个，这样不是更有意义吗？那就开始吧，想着自己做就可以用最小资源来实现最大功能了，然后开始查找需要的芯片资料，平时时间显示我们最起码要有小时和分钟吧，那么最起码要四位数码管了，还要有按键来调整时间吧，那么对IO口的管脚就开始有要求了，虽然是时钟显示，但是想来还是觉得不想因为节约管脚来把按键变少再去处理组合按键或者长按的按键。然后就开始各种查资料，后来找到一款很好的芯片，I2C通讯，直接可以实现4位数码管和四个按键的处理（当然这我只用到四个按键，其实这款芯片可以实现同时进行28键的键盘扫描），哇，这也太好了吧，迫不及待上图分享给大家了，就是下面这款：

哇，功能好到真的跪了，太好用了，好用到没朋友啊。因为这款芯片我太喜欢了，我会把这个芯片的数据手册放在附件，有兴趣的可以下载看看，真的好用还省去很多IO口。

选到这款芯片，那单片机选型就自由了太多了，幸福感瞬间提升了，自己做时钟，要有个DIY的感觉，所以我选择把数码管全部换成LED（主要还有成本低哦），还有跟别人的东西不一样的感觉吧。然后既然我要做时间显示那么我就要选个时钟芯片的，既然显示和按键的选择了一个芯片实现，并且还是一个I2C接口，那同样时钟芯片我也选择了一款I2C通信的，那这样两个芯片用单片机的两个管脚就够了，是不是很省呢。既然要时间显示，如果单纯的时钟是不是很单调呢，最起码还要有个小闹钟吧，所以选择了一款带闹钟的时钟芯片，并且是I2C通信的，那这样时钟芯片也选好了，既然有闹钟，我就要加个蜂鸣器让它时间到了叫出来啊，不然怎么叫闹钟呢，这里我除了想到让闹钟报时滴滴的叫，还想到可以通过给蜂鸣器不同的频率让它唱歌呢，这里蜂鸣器我选择了一款无源蜂鸣器，这样蜂鸣器就只占用单片机的一个管脚也够了啊。现在的产品大多都是USB供电的，我也选择USB供电就可以了。到现在就只用了单片机的三个管脚，这样我就可以选择51（STC8G1K08A）单片机中8脚的就够了。那么想到这些觉得有些意思了，那我就可以慢慢来实现了。

其实别看我选的这些比较常用，还是挺简单的，这个看起来还是很容易实现的，起初我也这样想的，然而过程中并不是想象的那么顺利，还是踩了很多坑的。因为每个芯片都是有不同的特点，技术资料难免一次就能读透，还有就是会有点盲目的自信导致过程会有点曲折，所以还是要脚踏实地点好吧，我的曲折过程都会分享给大家，大体的器件选型好了，怎么实现呢，怎么做成我想要的东西呢，这个过程莫急，慢慢看我展示，主要会给大家分享避坑。

后面就开始设计原理图和PCB了，最后产品出来才开始程序的实现，每个过程都好玩又有收获的，如果大家也感兴趣的话就持续关注我这个DIY的实现过程吧。随时欢迎大家跟我来探讨，也让我可以开阔下思路，或许下个小玩意更有意思呢。

8脚51单片机DIY时间显示+闹钟技术分享（二）

原理图设计

延续前篇，感谢大家能关注我的实现过程，废话不多说，接下来就是跟大家分享我的原理图设计过程了，首先呢就是我前面说到了DIY效果所以选择用LED来组成数码管，所以我选择用红灯（压降低）来实现，具体做出来就是下面这样的效果了：

是不是感觉还不错呢，主要显示小时和分钟。

因为我选择USB供电，先把供电端设计完成，供电进来我这里加了个保险丝（9V/200mA---大小根据自己实际电路选择），保护整个电路板。

前面设计的时候说到了的模块，我这里再来罗列一下，然后可以通过模块一点点讲实现了。有单片机模块，按键显示模块，时钟芯片模块，蜂鸣器模块。我一个一个来跟大家讲下我的实现过程和感觉需要注意的设计要点。

单片机模块：

电源端就是一个滤波电容一个储能电容。

一个蜂鸣器输出端，其实时钟芯片有触发闹钟时间到的功能，这里我就先把端口连上了，实际后来我实现的时候是通过I2C口读取寄存器获取的。

后面就好理解了，就是两个口是I2C口，另外两个是下载通讯口了，连接出来加个排针就好了。这里我都加了一个10R的电阻是防震荡的作用。到这里呢这个单片机模块部分就完成了，是不是很简单。继续吧。

按键显示模块：

这个就是我前面特别推的一款非常实用的按键显示芯片了。每个段都加了个电阻做限流用的，可以根据实际情况（LED灯的亮度）来调整这个电阻的。这里我们就看到了对于显示和按键我们只用了单片机的I2C两个接口，是不是很强大了。

其实这个芯片还有很多内部处理，比如按键消抖这些，很好了。前面如果下载了我的文章附件的可能大概浏览了下，是不是真的很好呢，希望对你们也有些借鉴。

对于这里的电源端我也加了滤波电容和储能电容。

按键部分我也贴图看下吧，

按键就是用的段管脚，这里这个4.7K的电阻就是一个限流作用了，这里我设计的是共阴使用。

接下来我们看下这个时钟芯片模块部分，还是先贴图看看我的设计吧，然后再看我的设计思路，

先看左边部分，我们看看这个ALARM管脚是不是在单片机管脚的那里连接着呢，就是这个口，那里也说了我最终闹钟实现是通过I2C读取寄存器实现的，这里就不多讲了。这里这个10K电阻是上拉电阻，这个端口是开漏输出，电阻选大点也是为了功耗小点。I2C信号端要加一个4.7K的上拉电阻（这个的话就是看的I2C标准了），再接着看下这个时钟芯片是加外部晶振的，这个是根据手册看的哦。两个电容就是起震需求的电容了。再接着看下供电端，这里我加了个电池，就是在5V不供电的时候，需要电池来给时钟芯片供电，确保时间是对的。所以这里我用了一个二合一二极管，就是为了电池只给时钟芯片供电，防止那个5V的电给电池充电，这里电池我选择的是不可充电的啊。电源端的电容就是滤波用的啊。

到这里时钟芯片部分的设计就完成了，是不是也不难，挺清楚的，如果这部分大家有什么更好的建议欢迎多多交流啊。

接着大家看下我的蜂鸣器部分。还是先上图，再给大家说下我的思路呢，

对于蜂鸣器，我选用的是无源压电式蜂鸣器，我们来看下思路，电源进来，上面我加了一个10R的限流电阻，下面这个R15的作用就是为蜂鸣器放电用的，这个BEEP管脚给一个频率输出到蜂鸣器，让它响出不同的声音，所以这里我用了一个三极管，这个电阻R17的作用就是限流了，下面这个R18就是三极管结电容加速关断的作用了。这样解释一下是不是还是很好理解我的思路的？

做到这里所有思路都讲完了，其实纵观看下还是很容易实现的。原理图设计就这样完成了，大家看下我的有没有什么需要改进的地方呢？实现方法有很多，或者大家有更多更好的方法呢，欢迎来交流啊。后面会陆续更新，下面一篇会展现我的PCB设计过程，感兴趣的持续关注吧。

8脚51单片机DIY时间显示+闹钟技术分享（三）

PCB设计

延续前篇，感谢大家能关注我的实现过程，废话不多说，接下来就是跟大家分享我的PCB设计过程了，PCB设计首先就是先把板框做好了，因为这个小玩意是自己想来做的，所以板框也自定义就好。然后把原理图导入到PCB，就开始实现PCB设计过程了，在这里我主要分享我的设计思路，布局以及走线需要避开的坑。

具体实现如果大家感兴趣的话也可以试一下的，会有很多收获的。后面我会分享出我的实现过程的视频部分，如果大家感兴趣可以关注下呢，可以跟自己做的对比下，到时候欢迎大家跟我多交流学习哈~

那我就继续了，首先呢导入了就是开始设置规则了，我们知道做任何事情都要有规则，有了规则才不会乱套，大城市之所以好，是因为规则性好，人人守规则才会有更好的发展。我们接着回来说下布局前的规则设置，我一般的设置都有哪些，大家都有自己的习惯，我先分享出我的习惯，如果有更好的建议随时欢迎沟通，

接下来我就开始规则设置了：

1、先是间距设置，常规我设置线的间距（线和线，线和过孔等的距离）是0.2mm，这是经验值；然后我会设置敷铜间距，单独添加间距规则设置敷铜的间距，这个我设置的0.3mm，根据实际情况来定，这个也是我的经验值。

2、接下来就是线宽了，线宽推荐值我不变，最小线宽设置为0.2mm，最大设置为2mm，一般情况下布线常规线宽就是推荐值，电源和地线会用大点，所以这里规则要先设置好。

3、接着就是设置过孔，对于过孔来说，有内径大小和外径大小，都有相应的最小值、推荐值和最大值，在这里我只改变内径最小值（0.3mm）和外径的最小值（0.6mm），其他就是默认就可以了。

4、接下来就是我会设置下敷铜连接方式，单独新建规则来设置过孔的连接方式，常规默认是十字连接，这里我设置为直连就可以了。

5、后面的设置就是孔到孔的间距、最小阻焊的间距、丝印到阻焊的间距、丝印到丝印的间距、元件的间距，这些我一般都会全部设置为0，主要靠自己布局把握了。

主要规则设置就上面这些，其他我会在过程中需要的情况下再进行设置，但是主要设置就是这些，规则设置好更方便布局以及走线，否则过程中一直出现绿色报错还要去看规则会影响工作进度还会影响心情的吧，所以为了工作效率还是先把规则设置好，至少我是这样认为的。

那么规则设置好了，就开始布局之旅了，布局也是有讲究的，当设计一个产品时，器件放哪里更合理，器件间的特性关系都是需要有考量的。

一般我设计过程都是左边输入，右边输出原则。

首先需要完成四个孔，安装用的，分别在四个脚的位置，M3孔，具体画图方法可以参考后续这个小闹钟的视频设计过程，这里就不详细说了，如下面所示：

继续看下布局方面，由于这个是小闹钟，又是选用USB供电，所以左端是USB口，需要外接的是供电端和程序下载端口，所以程序下载端口选择放在右边。DIY的闹钟，所以显示（所有LED）放在顶层，其他元件全部放在底层。这样看起来也清爽多了。

按照模块化布局，再移入板框中，首先从左边开始看，

USB供电进来，我把电池和时钟芯片放在这里，跟供电相关的部分，由于把下载端口放在右边了，所以单片机放在右边。看下图布局，电池，时钟芯片，晶振，三极管，还有电阻，电容。滤波电容放在管脚端，效果更好。这是正面布局哦。

接下来看下数码管驱动芯片，因为我把按键放在板子上端了，所以这个芯片放在中间比较合理，周边就是一些限流电阻、滤波和储能电容，先摆好吧，参考下呢

接下来看下就剩下单片机和蜂鸣器了，单片机管脚有跟数码管芯片连接，如果把蜂鸣器放在中间会比较难走线，所以单片机放在数码管驱动芯片旁边，接着是蜂鸣器和下载端口了，依次这样排开就可以方便走线了。

布局的大体过程就是这样的，具体还要根据走线再做调整。

接下来我跟大家分享下我的走线过程，走线需要注意的，其实走线是需要细致的过程，真的是需要一直调整器件，调整线，最终目的就是合理，正确。

首先走线大家可能都知道不能走直线，然后电源和地我选择粗线（0.4mm），其他线都是推荐值就可以了。地的部分是通过敷铜共地的，所以需要大过孔来共地，有的地方需要打过孔是为了铜皮电位平等。线尽量走的有规则些，所以在走线的过程先考虑好哪些在顶层，哪些在底层，否则过程中走的越来越乱，并且这个小闹钟看似简单，实际还是很需要下功夫的，具体的实现后面会有详细视频，因为走线还是需要实践的，我只能说下我的思路和一些需要注意的地方，具体的每条线的走向描述还是看视频来的直接点。当然后面要是出产品还有敷铜，DRC检测，出图等很多呢，再有提醒一点需要加的就是泪滴，这个是手动焊接对焊盘连接线的保护。这里我只分享设计过程，那些流程化的东西就可以省掉了，但是做事一定要认真，每个细节都要认真对待，每次你的认真都会得到回报的，我们的付出都在慢慢得到印证的。

最终的效果图大家看下呢，

做到这里所有布局和走线的思路都讲完了，其实纵观看下只要有条理，还需要细心，然后就都可以实现。PCB设计就这样完成了，大家看下我的设计有没有值得借鉴的地方或者有需要改进的，随时欢迎沟通交流。实现方法有很多，或者大家有更多更好的方法呢，欢迎来交流啊。后面会陆续更新，下面一篇会展现我的程序设计过程，感兴趣的持续关注