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Bare metal C Ch10 UART

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Hongjayeong-02 edited this page Sep 21, 2026 · 2 revisions

Ch10. UART (Universal Asynchronous Receiver/Transmitter)

한 줄 요약: NUCLEO-F439ZI의 ST-LINK VCP에 연결된 USART3를 115200 bps로 설정하고, 1초마다 문자열을 PC 터미널로 출력한다.

1. 핵심 이론

UART는 별도의 clock line 없이 TX/RX 선으로 데이터를 주고받는 비동기 직렬 통신이다. 양쪽 장치가 같은 baud rate를 사용해야 하므로 baud-rate 설정이 중요하다.

원서 보드와 F439ZI의 차이

항목 | 원서 NUCLEO-F411 | NUCLEO-F439ZI 실습 -- | -- | -- ST-LINK VCP | USART2 | USART3 TX | PA2 | PD8 RX | PA3 | PD9 Clock enable | USART2EN | USART3EN, APB1ENR bit18 Alternate Function | AF7 | AF7 AFR | PA2/3 → AFR[0] | PD8/9 → AFR[1]

Baud rate

Notion과 실제 코드에서는:

(periph_clk + baudrate / 2U) / baudrate

형태로 정수 나눗셈의 반올림을 구현한다.

APB1 clock = 16 MHz
baud       = 115200
BRR        ≈ 139

Polling 송신

while (!(USART3->SR & SR_TXE)) { }
USART3->DR = data;

CPU가 TXE가 set될 때까지 기다린 뒤 다음 byte를 DR에 쓴다.

2. 동작 흐름

GPIOD clock enable
      │
      ▼
PD8 / PD9 → Alternate Function
      │
      ▼
AF7 → USART3
      │
      ▼
USART3 clock enable
      │
      ▼
BRR = 115200 bps 설정
      │
      ▼
TE + UE enable
      │
      ▼
TXE polling
      │
      ▼
DR write
      │
      ▼
ST-LINK VCP → PC terminal

3. 실제 프로젝트 구조


Ch10_uart/

├── Inc/gpio.h


├── Src/gpio.c


├── Inc/systick.h


├── Src/systick.c


├── Inc/uart.h


├── Src/uart.c


├── Src/main.c

syscalls.c, sysmem.c, startup file, linker script, CubeIDE metadata/build output은 Ch04에서 다룬 공통 기반이므로 이 페이지에서는 반복하지 않는다. 아래에는 이 chapter 기능 구현에 직접 사용한 source/header를 전부 기록한다.

4. 전체 코드

Inc/gpio.h

#ifndef GPIO_H
#define GPIO_H

#include <stdbool.h>


/* ---- LED (PB0, LD1 녹색) ---- */
void led_init(void);
void led_on(void);
void led_off(void);


/* ---- Push Button (PC13, B1) ---- */
void button_init(void);
bool get_btn_state(void);


void led_toggle(void);   /* Ch08에서 추가 */


#endif /* GPIO_H */

Src/gpio.c

#include "stm32f4xx.h"
#include "gpio.h"

#define LED_PIN    0U   /* PB0 = LD1 (녹색) /
#define BTN_PIN    13U  / PC13 = B1 */


void led_init(void)
{
RCC->AHB1ENR |= RCC_AHB1ENR_GPIOBEN;


GPIOB-&gt;MODER &amp;= ~(0x3UL &lt;&lt; (LED_PIN * 2));
GPIOB-&gt;MODER |=  (0x1UL &lt;&lt; (LED_PIN * 2));



}


void led_on(void)
{
GPIOB->BSRR = (1UL << LED_PIN);        /* Set */
}


void led_off(void)
{
GPIOB->BSRR = (1UL << (LED_PIN + 16)); /* Reset */
}


void button_init(void)
{
RCC->AHB1ENR |= RCC_AHB1ENR_GPIOCEN;


GPIOC-&gt;MODER &amp;= ~(0x3UL &lt;&lt; (BTN_PIN * 2));  /* Input */
GPIOC-&gt;PUPDR &amp;= ~(0x3UL &lt;&lt; (BTN_PIN * 2));  /* No pull (보드가 자체 처리) */



}


bool get_btn_state(void)
{
return (GPIOC->IDR & (1UL << BTN_PIN)) != 0U;  /* active-HIGH */
}


void led_toggle(void)
{
GPIOB->ODR ^= (1UL << 0);  /* PB0 = LD1 */
}

Inc/systick.h

#ifndef SYSTICK_H_
#define SYSTICK_H_

#include <stdint.h>
#include "stm32f4xx.h"


void systick_msec_delay(uint32_t delay);


#endif /* SYSTICK_H_ */

Src/systick.c

#include "systick.h"

#define CTRL_ENABLE     (1UL << 0)
#define CTRL_CLKSRC     (1UL << 2)
#define CTRL_COUNTFLAG  (1UL << 16)


/* 코어클럭 16MHz(기본 HSI) 기준 1ms당 클럭 사이클 수 */
#define ONE_MSEC_LOAD   16000UL


void systick_msec_delay(uint32_t delay)
{
SysTick->LOAD = ONE_MSEC_LOAD - 1UL;
SysTick->VAL  = 0UL;
SysTick->CTRL = CTRL_CLKSRC;
SysTick->CTRL |= CTRL_ENABLE;


for (uint32_t i = 0; i &lt; delay; i++)
{
    while ((SysTick-&gt;CTRL &amp; CTRL_COUNTFLAG) == 0UL) { }
}

SysTick-&gt;CTRL = 0UL;



}

Inc/uart.h

#ifndef UART_H
#define UART_H

#include "stm32f4xx.h"


void uart_init(void);
void uart_write_string(const char *s);
int __io_putchar(int ch);


#endif

Src/uart.c

#include <stdint.h>
#include "uart.h"

#define GPIODEN    (1U << 3)
#define USART3EN   (1U << 18)


#define DBG_UART_BAUDRATE 115200U
#define SYS_FREQ           16000000U
#define APB1_CLK           SYS_FREQ


#define CR1_TE   (1U << 3)
#define CR1_UE   (1U << 13)
#define SR_TXE   (1U << 7)


static void uart_write(int ch);
static uint16_t compute_uart_bd(uint32_t periph_clk, uint32_t baudrate);
static void uart_set_baudrate(uint32_t periph_clk, uint32_t baudrate);


int __io_putchar(int ch)
{
uart_write(ch);
return ch;
}


void uart_init(void)
{
RCC->AHB1ENR |= GPIODEN;


GPIOD-&gt;MODER &amp;= ~(0x3UL &lt;&lt; (8 * 2));
GPIOD-&gt;MODER |=  (0x2UL &lt;&lt; (8 * 2));
GPIOD-&gt;MODER &amp;= ~(0x3UL &lt;&lt; (9 * 2));
GPIOD-&gt;MODER |=  (0x2UL &lt;&lt; (9 * 2));

GPIOD-&gt;AFR[1] &amp;= ~(0xFUL &lt;&lt; 0);
GPIOD-&gt;AFR[1] |=  (0x7UL &lt;&lt; 0);   /* PD8 -&gt; AF7 (USART3_TX) */
GPIOD-&gt;AFR[1] &amp;= ~(0xFUL &lt;&lt; 4);
GPIOD-&gt;AFR[1] |=  (0x7UL &lt;&lt; 4);   /* PD9 -&gt; AF7 (USART3_RX) */

RCC-&gt;APB1ENR |= USART3EN;

uart_set_baudrate(APB1_CLK, DBG_UART_BAUDRATE);

USART3-&gt;CR1 = CR1_TE;
USART3-&gt;CR1 |= CR1_UE;



}


static void uart_write(int ch)
{
while (!(USART3->SR & SR_TXE)) { }
USART3->DR = (ch & 0xFF);
}


void uart_write_string(const char *s)
{
while (*s) uart_write((int)*s++);
}


static uint16_t compute_uart_bd(uint32_t periph_clk, uint32_t baudrate)
{
return (uint16_t)((periph_clk + (baudrate / 2U)) / baudrate);
}


static void uart_set_baudrate(uint32_t periph_clk, uint32_t baudrate)
{
USART3->BRR = compute_uart_bd(periph_clk, baudrate);
}

Src/main.c

#include "gpio.h"
#include "systick.h"
#include "uart.h"

int main(void)
{
led_init();
uart_init();


while (1)
{
    uart_write_string("Hello from NUCLEO-F439ZI! (USART3, 115200bps)\r\n");
    led_toggle();
    systick_msec_delay(1000);
}



}

5. 실습 결과

Notion 기록 기준 실제 보드 검증 완료.

  • STM32CubeIDE build/download/run 완료

  • VCP를 115200-8-N-1로 열어 문자열 출력 확인

  • 1초마다 문자열 출력과 LD1 toggle 확인

text = 1168 bytes
data = 0 bytes
bss  = 2560 bytes
warning 없음

6. 핵심 정리

  • F439ZI VCP는 USART3 PD8/PD9를 사용한다.

  • GPIO Alternate Function 설정 후 USART clock/BRR/TE/UE를 설정한다.

  • TXE polling 후 DR에 byte를 기록한다.

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