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tags: [source-summary]
type: source
source: "尚硅谷嵌入式技术之STM32单片机（基础篇）V1.0.2 — 第8章：USART通信 + 配套代码07~12"
author: "尚硅谷研究院"
date: 2026-07-15
created: 2026-07-15
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# 串口USART通信

> **用生活理解**：USART 串口通信就像两个人之间拉了一根电话线——一次只能一个人说（半双工），或者可以两个人同时说（全双工）。双方约定好说话的速度（波特率）、一句话的格式（数据位+校验+停止位），才能正常沟通。printf 重定向就是给这个电话线配了一个自动翻译机——把 printf 的内容自动通过串口发出去。

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## USART概述

### 通信分类

| 分类       | 定义                         | 示例     |
| ---------- | ---------------------------- | -------- |
| **单工**   | 数据只在一个方向传输         | 广播     |
| **半双工** | 双方可以交替发送，但不能同时 | 对讲机   |
| **全双工** | 双方可同时发送               | 电话     |
| **同步**   | 有时钟线同步                 | SPI、I2C |
| **异步**   | 无时钟线，约定波特率         | USART    |

USART = Universal Synchronous/Asynchronous Receiver/Transmitter
通用同步/异步收发器。STM32F103 的 USART1 支持同步模式，USART2/3 仅异步。

### 异步串行协议帧格式

```
    空闲      起始位     数据位(8/9位)     校验位(可选)  停止位(1/2位)
    ──────┐  ┌──┐──┐──┐──┐──┐──┐──┐──┐──┌──┐────┐────────
           │  │  │  │  │  │  │  │  │  │  │  │    │
    ──────┘──┘  └──┘──┘──┘──┘──┘──┘──┘──┘──┘────┘────────
           ↑  LSB(先发)                    MSB(后发)
```

| 段     | 位数    | 说明                   |
| ------ | ------- | ---------------------- |
| 起始位 | 1       | 拉低电平，表示开始发送 |
| 数据位 | 8或9    | 先发 LSB（最低有效位） |
| 校验位 | 0或1    | 奇校验/偶校验/无校验   |
| 停止位 | 1/1.5/2 | 拉高电平，表示传输结束 |

**校验位计算**：

- **无校验（No Parity）**：不发送校验位
- **奇校验（Odd）**：数据位中"1"的个数为奇数时，校验位=0；为偶数时，校验位=1
- **偶校验（Even）**：数据位中"1"的个数为偶数时，校验位=0；为奇数时，校验位=1

### 波特率

波特率 = 每秒传输的位数（bps）。

常用值：9600、19200、38400、115200、921600

**STM32 USART 波特率计算公式**：

```
Tx/Rx 波特率 = fCK / (16 × USARTDIV)

其中: fCK = USART 时钟频率
      USARTDIV = BRR 寄存器中写入的分频值（含小数部分）
```

> 示例：fCK=72MHz（USART1 挂在 APB2），目标 115200bps
> USARTDIV = 72,000,000 / (16 × 115200) = 39.0625
> BRR 寄存器写入值 = 0x271
>
> **参考**：参考手册 §18（USART 寄存器描述）

**各 USART 模块的频率差异**：

| USART  | 总线 | 时钟频率 |
| ------ | ---- | -------- |
| USART1 | APB2 | 72MHz    |
| USART2 | APB1 | 36MHz    |
| USART3 | APB1 | 36MHz    |

> **注意**：USART2/3 只有 APB1 时钟的一半，相同 BRR 值下波特率也减半。

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## USART功能框图

关键组成部分：

1. **数据寄存器（DR）**：发送/接收数据的缓冲区
2. **发送移位寄存器**：将 DR 中并行数据串行化发送
3. **接收移位寄存器**：将 RXD 串行数据转为并行存入 DR
4. **波特率发生器**：基于 BRR 产生收发时钟
5. **控制逻辑**：CR1/CR2/CR3 寄存器控制各种模式

> **参考**：参考手册 §18 中的 USART 功能框图

### 关键寄存器

| 寄存器 | 地址偏移 | 功能                                                 |
| ------ | -------- | ---------------------------------------------------- |
| SR     | 0x00     | 状态寄存器（TXE、RXNE、IDLE、TC 等标志位）           |
| DR     | 0x04     | 数据寄存器（发送/接收共用）                          |
| BRR    | 0x08     | 波特率寄存器（USARTDIV 值）                          |
| CR1    | 0x0C     | 控制寄存器1（UE、TE、RE、M、PCE、PS、TXEIE、RXNEIE） |
| CR2    | 0x10     | 控制寄存器2（STOP 位配置、LINEN 等）                 |
| CR3    | 0x14     | 控制寄存器3（CTSE、RTSE、DMAT、DMAR）                |

**SR 状态寄存器的重要位**：

| 位  | 名称 | 说明               | 用途                            |
| --- | ---- | ------------------ | ------------------------------- |
| 5   | RXNE | 接收数据寄存器非空 | 有数据收到时=1，读DR后自动清0   |
| 6   | TC   | 发送完成           | 发送完成后=1                    |
| 7   | TXE  | 发送数据寄存器空   | 可写入数据时=1，写DR后自动清0   |
| 4   | IDLE | 空闲线路检测       | 收到空闲帧（高电平超过1帧）时=1 |

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## 硬件电路设计

USART1 使用 PA9（TX）和 PA10（RX）：

- **PA9 (USART1_TX)**：复用推挽输出（CNF=10, MODE=11）
- **PA10 (USART1_RX)**：浮空输入（CNF=01, MODE=00）

通常还需要连接 CH340G（USB转串口芯片）与电脑通信。

> **参考**：开发板原理图串口部分、CH340G 数据手册

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## 实验：串口收/发通信

### 需求描述

通过串口发送字符/字符串，接收并回显收到的数据。波特率 115200，8N1（8 数据位、无校验、1 停止位）。

### 软件设计（寄存器版 — 轮询方式）

**项目路径**：`stm32/07_usart_register`

**文件：`stm32/07_usart_register/Hardware/USART/usart.h`**

```c
#ifndef __USART_H
#define __USART_H

#include "stm32f10x.h"

void USART_Init(void);
void USART_SendChar(uint8_t ch);
uint8_t USART_ReceiveChar(void);
void USART_SendString(uint8_t *str, uint8_t size);
void USART_ReceiveString(uint8_t buffer[], uint8_t *size);

#endif
```

**文件：`stm32/07_usart_register/Hardware/USART/usart.c`**

```c
#include "usart.h"

// USART1 初始化（PA9-TX, PA10-RX, 115200-8N1）
void USART_Init(void)
{
    /* ===== 1. 开启时钟 ===== */
    // USART1 挂载在 APB2 总线上
    RCC->APB2ENR |= RCC_APB2ENR_USART1EN;   // |=: USART1时钟使能
    RCC->APB2ENR |= RCC_APB2ENR_IOPAEN;      // |=: GPIOA时钟使能

    /* ===== 2. 配置GPIO模式 ===== */
    // PA9 (TX): 复用推挽输出 CNF=10, MODE=11(50MHz)
    // CRH控制Pin8~Pin15, PA9的位域在第4~7位
    GPIOA->CRH |= GPIO_CRH_MODE9;             // MODE9[1:0]=11
    GPIOA->CRH |= GPIO_CRH_CNF9_1;             // CNF9[1]=1
    GPIOA->CRH &= ~GPIO_CRH_CNF9_0;            // CNF9[0]=0

    // PA10 (RX): 浮空输入 CNF=01, MODE=00
    GPIOA->CRH &= ~GPIO_CRH_MODE10;            // MODE10=00(输入)
    GPIOA->CRH &= ~GPIO_CRH_CNF10_1;           // CNF10[1]=0
    GPIOA->CRH |= GPIO_CRH_CNF10_0;            // CNF10[0]=1

    /* ===== 3. 配置USART ===== */
    // 3.1 波特率 115200 (72MHz / (16 * 115200) = 39.0625 = 0x271)
    USART1->BRR = 0x271;

    // 3.2 使能USART1、发送、接收
    USART1->CR1 |= USART_CR1_UE;   // UE=1: USART使能
    USART1->CR1 |= (USART_CR1_TE | USART_CR1_RE);  // TE=1: 发送使能, RE=1: 接收使能

    // 3.3 配置帧格式: 8位数据位, 无校验, 1位停止位
    USART1->CR1 &= ~USART_CR1_M;    // M=0: 8位数据位
    USART1->CR1 &= ~USART_CR1_PCE;  // PCE=0: 无校验
    USART1->CR2 &= ~USART_CR2_STOP; // STOP=00: 1位停止位
}

// 发送一个字符（轮询方式）
void USART_SendChar(uint8_t ch)
{
    // 等待 TXE (发送数据寄存器空) = 1
    // TXE=1 表示 DR 中数据已转移到移位寄存器，可以写入新数据
    while ((USART1->SR & USART_SR_TXE) == 0)  // &测试: TXE位是否为0
    {
    }

    // 写入数据到 DR，硬件自动移位发送
    USART1->DR = ch;
}

// 接收一个字符（轮询方式）
uint8_t USART_ReceiveChar(void)
{
    // 等待 RXNE (接收数据寄存器非空) = 1
    // RXNE=1 表示 DR 中已收到新数据
    while ((USART1->SR & USART_SR_RXNE) == 0)
    {
    }

    return USART1->DR;
}

// 发送字符串
void USART_SendString(uint8_t *str, uint8_t size)
{
    for (uint8_t i = 0; i < size; i++)
    {
        USART_SendChar(str[i]);
    }
}

// 接收字符串（检测空闲帧 IDLE 判断结束）
void USART_ReceiveString(uint8_t buffer[], uint8_t *size)
{
    uint8_t i = 0;

    // 逐字符接收直到检测到空闲帧（IDLE=1）
    while ((USART1->SR & USART_SR_IDLE) == 0)  // IDLE=0 时说明还在接收数据
    {
        buffer[i] = USART_ReceiveChar();
        i++;
    }

    // 读取 DR 清除 IDLE 标志（先读SR再读DR）
    USART1->DR;

    *size = --i;  // 减去IDLE引起的多余计数
}
```

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### 软件设计（寄存器版 — printf重定向）

**项目路径**：`stm32/11_usart_printf_register`

通过重写 `fputc` 函数，将 `printf` 输出重定向到 USART1。

**文件：`stm32/11_usart_printf_register/User/main.c`**

```c
#include "stm32f10x.h"
#include <stdio.h>      // 使用 printf 需要

// 重写 fputc —— printf 底层调用此函数输出每个字符
// 参数: ch = 要输出的字符, f = 文件流指针（未使用）
// 返回: 输出成功的字符
int fputc(int ch, FILE *f)
{
    // USART1 发送一个字符
    while ((USART1->SR & USART_SR_TXE) == 0)  // 等待 TX 缓冲区空
    {
    }
    USART1->DR = ch;  // 写入字符到 DR

    return ch;
}

int main(void)
{
    USART_Init();  // USART初始化（与轮询版相同）

    printf("尚硅谷 STM32 串口 printf 实验\r\n");   // \r\n 是回车换行
    printf("当前系统时钟: 72MHz\r\n");
    printf("波特率: 115200, 数据格式: 8N1\r\n");

    while (1)
    {
    }
}
```

> **Keil 配置**：要使用 printf，必须在 Keil 中勾选 "Use MicroLIB"（微库）：
> Options for Target → Target → Code Generation → Use MicroLIB
> 微库提供了精简版的 `printf` 实现。

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### 软件设计（HAL库版）

HAL 库封装了 USART 的寄存器操作，使用结构体 `UART_HandleTypeDef` 管理串口。

**HAL 库串口配置流程**：

```
1. CubeMX 选择 USART1 异步模式
2. 配置波特率、数据位、校验位、停止位
3. 生成代码
4. HAL_UART_Transmit() 发送 / HAL_UART_Receive() 接收
```

**HAL 库发送接收函数**：

```c
// 发送（超时模式）
HAL_UART_Transmit(&huart1, (uint8_t *)"Hello", 5, 1000);
// 参数: huart句柄, 数据指针, 数据长度, 超时ms

// 接收（超时模式）
HAL_UART_Receive(&huart1, buffer, 10, 1000);

// 中断方式接收（推荐）
HAL_UART_Receive_IT(&huart1, buffer, 10);
// 接收10个字节后自动调用 HAL_UART_RxCpltCallback()
```

**printf 重定向（HAL 库版）**：

```c
// 基于 HAL_UART_Transmit 的重写
int fputc(int ch, FILE *f)
{
    HAL_UART_Transmit(&huart1, (uint8_t *)&ch, 1, 1000);
    return ch;
}
```

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## 核心函数速查表

### 寄存器版

| 函数                             | 说明                    | 实现要点           |
| -------------------------------- | ----------------------- | ------------------ |
| `USART_Init()`                   | 时钟+GPIO+波特率+帧格式 | CR1/BRR/CR2 配置   |
| `USART_SendChar(ch)`             | 发送1字节               | 轮询 TXE 标志      |
| `USART_ReceiveChar()`            | 接收1字节               | 轮询 RXNE 标志     |
| `USART_SendString(str, len)`     | 发送字符串              | 循环调用 SendChar  |
| `USART_ReceiveString(buf, &len)` | 接收字符串              | 使用 IDLE 判断结束 |

### HAL库版

| HAL函数                                         | 说明         |
| ----------------------------------------------- | ------------ |
| `HAL_UART_Transmit(huart, data, size, timeout)` | 轮询发送     |
| `HAL_UART_Receive(huart, data, size, timeout)`  | 轮询接收     |
| `HAL_UART_Receive_IT(huart, data, size)`        | 中断接收     |
| `HAL_UART_Transmit_IT(huart, data, size)`       | 中断发送     |
| `HAL_UART_RxCpltCallback(huart)`                | 接收完成回调 |

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## 常见问题与避坑

1. **串口无输出** → 检查波特率是否匹配、GPIO 模式（TX=复用推挽）、USART 时钟是否开启
2. **printf 不输出** → Keil 中是否勾选 Use MicroLIB、fputc 是否重写、TXE 轮询是否正确
3. **接收数据乱码** → 波特率误差超过 3%（检查 BRR 计算）、数据位/校验位/停止位不匹配
4. **HAL_UART_Receive 阻塞** → 设置了超时但未收到足够数据；改用 `_IT` 中断方式
5. **USART1 和 USART2/3 波特率不同** → 它们时钟源不同（APB2=72MHz, APB1=36MHz），BRR 值需分别计算
6. **IDLE 中断逻辑不清** → IDLE 是"空闲帧"检测（连串高电平超过1帧时间），不是"数据接收完毕"