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2016 年 8 月 DocID027483 Rev 1 [English Rev 1] 1/21

AN4655

应用笔记

在 STM32 应用中虚拟增加串行通信外设数目

前言

应用工程师经常面临的问题是，微控制器在功能和性能上满足应用的所有其它要求，只是串

行通信外设数量有限。有时，他们只能替换为具有充分数量通信外设的高级微控制器以规避

此问题。这种移植可带来额外的（经常是用不到的）性能和功能，在多数情况下应用都不需

要或用不到，但却增加了成本和 PCB 复杂度。

经常发生的情况是当并不是每个通道都需要全部（或特定）功能时，通信流及其控制可极大

简化（例如仅在特定的模式或时隙需要通信、通信速度可以更低、并不是所有信号都严格需

要正确的时间、可接受简化的协议或流程）。在这些特定情况下，如果有方法能用当前硬件

补充缺失的信道，避免移植，则用户可真正受益。

另一方面，要在复用通道上与所有原始硬件特性完全兼容，代码和性能方面的代价太大，也

很难实现。通常，会倾向于放弃一些特定需要，以达到简化复用外设通道概念的目的。这

里，关键一点是识别那些应用中不需要的、可使用低工作量、降低性能的方法变更的通道。

本应用笔记提供了所述问题的基本概述，可帮助应用工程师在实现缺失的通信通道时，发现

可能的替代方法。因为所讨论的外设存在于所有该类产品，所以它适用于所有 STM32 微控

制器。

在下面的参考文档中有更多的信息和样例，说明了实际的用例和解决方案：

• TN0072，软件工具链和 STM32 特性；

• UM0892， STM32 ST-LINK 工具软件说明；

• AN4457， STM32F4 全双工 UART 模拟。

最后引用的文档与相同主题的其它应用笔记共同开发，用户可在 www.st.com 上查看。

www.st.com

目录 AN4655

2/21 DocID027483 Rev 1 [English Rev 1]

1 硬件方法 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5

2 软件方法 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8

2.1 兼容因子 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8

2.1.1 功能性（与时序无关） . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8

2.1.2 时序 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8

2.1.3 HW 接口 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8

2.1.4 API 接口 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8

2.2 可用的方法 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9

2.2.1 位模拟 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9

2.2.2 硬件和软件组合控制 GPIO . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9

2.3 通用方法论 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9

2.3.1 时钟信号方面，主从的对比 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9

2.3.2 中断和 DMA vs. 位模拟 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10

2.4 软件模拟的外设方面 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .11

2.4.1 SPI . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11

2.4.2 UART . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12

2.4.3 I2C . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12

2.5 示例 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13

2.5.1 基于硬件和软件组合控制 GPIO 的 UART

双工通道 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13

2.5.2 SPI 位模拟序列 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14

2.5.3 I2C 主设备位模拟序列 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16

3 结论 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19

4 版本历史 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20

DocID027483 Rev 1 [English Rev 1] 5/21

AN4655 硬件方法

1 硬件方法

如果不能接受增加原始硬件外设（例如，增加专用通信协处理器单元等外部组件），那么可

使用下述基本方法补偿外设数量的限制：

1. 使用内部专用外设实例的重映射选项，更改不同端口处的输入和输出，以此建立微控制

器与不同通道的临时连接（用户可在数据手册的引脚说明中，针对每种产品及其实现的

外设找到复用功能能力的信息）。

2. 使用复用逻辑，将多个通信通道复用为一个通信端口。

3. 使用 SWO 特性。

前两种方法提供了除专用时隙之外所选通道的服务，仅当它发生时不严格要求复用通道的同

时操作和永久监测才可使用，例如：

• 服务通道；

• 偶尔与远程设备通信；

• 监测数值变化缓慢的传感器；

• 用于周期性备份的通道。

当从设备的活动等待主请求，或与从设备的通信可丢失，当主设备重新连至服务通道时可容

易地重新同步时（监听并通话），这些方法适合于主设备通信。当从设备和主设备之间提供

额外控制信号来告知从设备连接建立时（例如，当从设备能 / 不能在通道工作时的片选或通

道就绪 / 繁忙信号），它也可用于从设备侧。

总之，当复用功能重新映射或复用到另一通道时，用户应注意与外设实例总线信号相关的

GPIO 处于非活动状态。正确设置可确保空闲条件的模拟，防止阻塞于当前未选择的或未用

于通信的通道。可通过正确配置 GPIO 端口寄存器达到这一目的，增加外部组件（上拉 / 下

拉电阻）也有部分作用。请注意，当从端口移除（重映射）复用功能时， GPIO 逻辑一般会

覆盖相关引脚的控制，用户必须防止这些临时冻结通道上的任何总线虚假状态检测。

对于复用情况，如可用于产品，用户可使用路由接口专用组处的 I/O 开关专用控制。用户必

须确保单个组内的适当开关组合（配对）及时关闭，以令信号通过需要的路径。用户必须为

这种开关指定额外的 IO，它们不能用于其它用途，而且还会有额外的 PCB 走线。

该原理示于

图

1 和

图

2 中。

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小正太浩二

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