STM32 串口通信①：USART 全面理解 + 代码详解

一 前言

本篇文章并不会系统的从零开始讲起，适合大家对USART有一定的学习，再看本篇文章会有一定的收获，祝大家在本文中，吸收到新的知识。

二 通信方式

1）按数据传输的方式分（这就是"串行 vs 并行"）

（1）串行通信

串行通信：是指数据一位一位地按顺序传输，比如我们常见的 UART、USART、SPI、I2C 等都是串行通信。这种方式的优点是连线少，成本低，尤其适合远距离传输和资源受限的场合。

特点：速度较慢，硬件连接简单，数据线只有一根，

（2）并行通信

并行通信：是同时传输多个位，比如计算机内部的总线、老式的并口打印机接口等。这种方式的数据吞吐量大，但需要更多的连线和同步机制，通常用于短距离和高速数据传输。

特点：速度较快，需要更多的数据线

不知道大家有没有这样一个疑问：

大家再看串行通信这里的举例，USART、UART他不是连接了四根线，其中两根数据线吗，分别是Rx、Tx吗，你怎么就能说他们俩是串行通信呢？

答：大家想的确实没错，但是在实际的硬件连接中，像 UART 或 USART 这样的串行通信确实会有四根线：VCC（电源）、GND（地线）、TX（发送）、RX（接收）。其中 TX 和 RX 是用于数据传输的两根线。

我之前说的"串行通信只有一根数据线"其实是指数据在一根线上按位串行传输，而不是像并行通信那样同时在多条线上并行传输多个位。TX 和 RX 是串行通信中用于发送和接收的两根数据线，数据是按位依次传输的。 所以，串行通信的"串"是指数据在一条数据线上按顺序传输，而并不是指有多少根物理线。

2）按通信方向分（这就是"单工/半双工/全双工"）

类型	特点	举例
单工	只能单向通信	收音机（只能接收）
半双工	双向通信但不能同时进行	对讲机（你说我听，不能同时）
全双工	双向通信可同时进行	电话、UART串口

3）按时钟控制方式分（这就是"同步 vs 异步"）

类型	特点	举例
同步通信	依靠共享时钟信号，时序精确	SPI、USART 同步模式
异步通信	没有时钟线，靠起始位/停止位来同步	UART、USART 异步模式

在这里就要引出我们本文的主角了，USART

三 USART

大家有没有经常搞混USART和UART呢，我简单的给大家找一下相关的数据和分类，

UART 是一种"异步串行通信协议"；
USART 是 STM32 中的"通用同步/异步串口外设"，它能实现 UART，也能实现更多。

UART能干的，USART就给他干完了，所以USART我们更常用。我们平常说的UART说的应该就是USART下的UART模式，他叫异步串行通信。

下两张表是他们所对应的模式

USART：

模式名称	描述
UART 模式	异步串行通信，最常用的方式，用 TX/RX 就行
同步模式	增加了一个时钟引脚（CK），用于同步通信（类似 SPI）
单线半双工模式	只有一根数据线，TX 和 RX 复用（比如红外通信）
智能卡模式	主要用来对接智能卡协议（ISO 7816），包含特定帧结构和校验要求
IrDA 模式	红外通信协议，STM32 USART 支持内建调制和解调
LIN 模式	本地互连网络（Local Interconnect Network），汽车中常用的低速通信协议
DMX 模式（高级型号）	灯光控制系统协议（部分高级芯片才有）

UART：

功能	有/无
异步通信（TX/RX）	✅
同步通信（带时钟）	❌
IrDA / LIN / Smartcard	❌

大家观看上面这两张表，大家也能发现，USART要比UART的功能更加的强大，而我们更常用USART下的UART模式，也就是我们最经常接触的有Rx、Tx引脚的串口器件，USB转TTL电平的模块，如图：

在这里要特别说明一点：如果用异步的通信就一定会包含起始位、停止位、校验位、数据位，如果想要保证异步通信的准确性，就需要这些去判断，而不像同步通信，同步通信靠的是标准的时钟信号CLK

四 基础概念

1）波特率和比特率

比特率Bit Rate：每秒传输了多少个 0 或 1，传输了几位二进制的数

波特率 Baud Rate：传输的是码元，码元是用来承载比特的容器

情况	每个码元代表多少比特	举例说明
简单二进制通信	1 bit	一个码元只有两种状态（0 或 1）
QPSK（四相移键控）	2 bits	一个码元表示 00、01、10、11

这里说的码元，并不是固定死的，他是人为可以规定的，在今天的串口和未来几天关于蓝牙HC-05的讲解，都是将一个码元表示成 1 个比特，也就是说，最近我写的博客中，都是比特率=波特率。

2）通信接口

前文提到的USB转TTL电平模块，要简单说一下，USB是电脑的接口，TTL是单片机引脚的电平，但是电脑和单片机之间是没法进行交流的。

🧑‍💻【电脑】 ---（USB）→ ❓ →（TX/RX）---【单片机】

中间得来个"翻译官"------这就是我们说的 USB转TTL模块！

关于通信接口，还有两个分别是RS232\RS485，这里我并没有研究太深，大家感兴趣的，自己研究就行。

3）复用功能、重映射

说实话这两个我是经常搞混，我给大家进行一个总结，希望大家不要重走我的苦

复用功能；也总说成复用引脚，他就是可以实现同一个引脚可以干很多事情，给大家举个例子，大家可以翻开"stm32f10x中文参考手册"的第118页、120页，在PA9这个引脚上，不仅可以是定时器1通道2还可以是USART1_Tx

如果出现了这个复用引脚，那么我们在配置GPIO结构体的时候，就要选择AF，例如：GPIO_Mode_AF_PP。大家能明白为什么要有复用推挽复用开漏的功能了吧？

接下来讲重映射：

重映射是将外设的某个功能换个引脚来使用。

你原本以为串口只能走 PA9/PA10 ，结果它说："不，我还能走 PB6/PB7，只要你设置一下重映射就行！"

这样不就能解决引脚冲突，让资源分配更灵活了嘛。

REMAP=0是默认，REMAP=1是重映射到对应的引脚。一旦要有重映射我们就要在代码中配置一个复用时钟函数，如下图：

重映射中还有部分重映射、完全重映射，给大家总结好表格，大家自行阅读。

类型	说明
默认映射	比如 USART1 默认映射在 PA9 / PA10
部分重映射	比如 TIM2 可以从 PA0/PA1 映射成 PA15/PB3（只改部分）
完全重映射	所有引脚全部换一组，比如 TIM3 从 PA6/PA7/PC6 映射成 PC8/PC9/PB0

五 代码讲解

以上关于知识点就到此为止了，代码相关的知识便会很简单，usart.c代码

关于USART中UART模式的硬件代码配置如下，我是利用了中断，大家如果不想用中断也可以，只需将相应的代码删除即可~

PA9--Tx发送，在这里的发送可就用到了第四部分的复用功能哦，AF_PP,翻阅前文即可

PA10--Rx接收

	usart_structure.USART_BaudRate = 115200;
	usart_structure.USART_HardwareFlowControl = USART_HardwareFlowControl_None;
	usart_structure.USART_Mode = USART_Mode_Rx | USART_Mode_Tx;
	usart_structure.USART_Parity = USART_Parity_No;
	usart_structure.USART_StopBits = USART_StopBits_1;
	usart_structure.USART_WordLength = USART_WordLength_8b;

波特率、校验位、模式等等，这里就是异步通信的标准了，需要把他们都配齐才可以。

为什么这里中断是RXNE呢？首先我们需要了解一下整个过程：

在这里说一下数据是怎么写进去的，首先发送一个数据，也就是库函数中的void USART_SendData(USART_TypeDef* USARTx, uint16_t Data);这个意思就是将数据发送给数据寄存器TDR中，一旦数据写TDR中，TXE的标志位就会被清零，表示"发送数据寄存器"正在用。随后TDR中的数据转移到移位寄存器中（shift register），此时，TDR空了，也就代表着TXE重新置位，告诉数据可以发下一个数据给TDR了。

此时来到移位寄存器，移位寄存器要发送数据，这里发送是通过Tx引脚一位一位 的发送，包括了整个字节，起始位、数据位、校验位、停止位，等待发送完毕即可

常用三个东西，TXE、TC、RXNE

发送数据，需要用这个，TDR空，则用TXE（TXE=1）
判断数据整个过程（字符串）是否发送完成，则用TC
当你的设备需要从外部接收数据（RDR），中断处理，则用RXNE

#include "usart.h"
#include "stm32f10x.h"                  // Device header
#include "stdio.h"


//普通uart
void my_usart_Config(void)
{
	GPIO_InitTypeDef GPIO_structure;
	USART_InitTypeDef usart_structure;
	NVIC_InitTypeDef NVIC_structure;

  NVIC_PriorityGroupConfig(NVIC_PriorityGroup_2);
  RCC_APB2PeriphClockCmd( RCC_APB2Periph_GPIOA | RCC_APB2Periph_USART1, ENABLE);

	//PA9--Tx，发送
	GPIO_structure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_AF_PP;
	GPIO_structure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_9;
	GPIO_structure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;
  GPIO_Init( GPIOA, &GPIO_structure );
	
	//PA10--Rx,接收
	GPIO_structure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_IN_FLOATING;
	GPIO_structure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_10;
	GPIO_structure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;
  GPIO_Init( GPIOA, &GPIO_structure );	
	
	usart_structure.USART_BaudRate = 9600;
	usart_structure.USART_HardwareFlowControl = USART_HardwareFlowControl_None;
	usart_structure.USART_Mode = USART_Mode_Rx | USART_Mode_Tx;
	usart_structure.USART_Parity = USART_Parity_No;
	usart_structure.USART_StopBits = USART_StopBits_1;
	usart_structure.USART_WordLength = USART_WordLength_8b;
  USART_Init(USART1, &usart_structure);
  USART_Cmd( USART1,ENABLE);
  USART_ITConfig( USART1,USART_IT_RXNE,ENABLE);	//RXNE，接收数据寄存器不空

	NVIC_structure.NVIC_IRQChannel = USART1_IRQn;
	NVIC_structure.NVIC_IRQChannelCmd = ENABLE;
	NVIC_structure.NVIC_IRQChannelPreemptionPriority = 1;
	NVIC_structure.NVIC_IRQChannelSubPriority = 0;
  NVIC_Init(&NVIC_structure);
	
	
}


//发送寄存器TDR，移位寄存器shift register
//发送一个字节ascii码的值
void My_Usart_Send_Byte(USART_TypeDef* USARTx, uint16_t Data)
{
	
  USART_SendData( USARTx,  Data);//写到TDR中
  while( USART_GetFlagStatus( USARTx,  USART_FLAG_TXE) == RESET);
	//txe，发送数据的寄存器空了，移位寄存器已经空了
}

//发送字符串
void My_Usart_Send_String(USART_TypeDef* USARTx, unsigned char *str)
{
	 uint16_t i =0;
	
	do
	{
			My_Usart_Send_Byte( USARTx,  *(str + i));
			i++;
		
	}while(*(str + i) != '\0');
	
  while( USART_GetFlagStatus( USARTx,  USART_FLAG_TC) == RESET);
	//tc，数据已经彻底全部发送完成了
	
	
}


//发送汉字
int putc(int ch, FILE *p)
{
	  USART_SendData( USART1,  (u8)ch);
	  while( USART_GetFlagStatus( USART1,  USART_FLAG_TXE) == RESET);
	
	return ch;

}