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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

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

#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

#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

#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：

// 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）：

// 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"