UART Hal库与寄存器比较

在 STM32 开发中，UART 通信可以通过 HAL 库函数或直接操作寄存器实现。下面将详细对比两种方式，并解释 HAL 库函数背后的寄存器操作原理。

1. 串口初始化

HAL 库方式

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UART_HandleTypeDef huart1;

void MX_USART1_UART_Init(void) {
  huart1.Instance = USART1;
  huart1.Init.BaudRate = 115200;
  huart1.Init.WordLength = UART_WORDLENGTH_8B;
  huart1.Init.StopBits = UART_STOPBITS_1;
  huart1.Init.Parity = UART_PARITY_NONE;
  huart1.Init.Mode = UART_MODE_TX_RX;
  huart1.Init.HwFlowCtl = UART_HWCONTROL_NONE;
  huart1.Init.OverSampling = UART_OVERSAMPLING_16;
  if (HAL_UART_Init(&huart1) != HAL_OK) {
    Error_Handler();
  }
}

void HAL_UART_MspInit(UART_HandleTypeDef* uartHandle) {
  GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStruct = {0};
  if(uartHandle->Instance==USART1) {
    __HAL_RCC_USART1_CLK_ENABLE();
    __HAL_RCC_GPIOA_CLK_ENABLE();
    
    // 配置TX引脚（PA9）
    GPIO_InitStruct.Pin = GPIO_PIN_9;
    GPIO_InitStruct.Mode = GPIO_MODE_AF_PP;
    GPIO_InitStruct.Pull = GPIO_NOPULL;
    GPIO_InitStruct.Speed = GPIO_SPEED_FREQ_HIGH;
    GPIO_InitStruct.Alternate = GPIO_AF7_USART1;
    HAL_GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStruct);
    
    // 配置RX引脚（PA10）
    GPIO_InitStruct.Pin = GPIO_PIN_10;
    GPIO_InitStruct.Mode = GPIO_MODE_AF_INPUT;
    HAL_GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStruct);
  }
}

寄存器方式

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void UART1_Init(void) {
  // 使能USART1和GPIOA时钟
  RCC->APB2ENR |= RCC_APB2ENR_USART1EN;
  RCC->AHB1ENR |= RCC_AHB1ENR_GPIOAEN;
  
  // 配置PA9(TX)为复用功能
  GPIOA->MODER |= GPIO_MODER_MODER9_1;    // 复用模式
  GPIOA->OTYPER &= ~GPIO_OTYPER_OT_9;    // 推挽输出
  GPIOA->OSPEEDR |= GPIO_OSPEEDER_OSPEEDR9_0 | GPIO_OSPEEDER_OSPEEDR9_1; // 高速
  GPIOA->AFR[1] |= (7 << 4);             // AF7: USART1
  
  // 配置PA10(RX)为复用功能
  GPIOA->MODER |= GPIO_MODER_MODER10_1;  // 复用模式
  GPIOA->AFR[1] |= (7 << 8);             // AF7: USART1
  
  // 计算波特率分频值（假设PCLK2=84MHz）
  uint32_t baud = 115200;
  uint32_t div = 84000000 / (16 * baud); // 16倍过采样
  
  // 配置USART1
  USART1->BRR = div;                    // 设置波特率
  USART1->CR1 = USART_CR1_TE | USART_CR1_RE; // 使能发送和接收
  USART1->CR2 = 0;                      // 1个停止位
  USART1->CR3 = 0;                      // 无硬件流控制
  USART1->CR1 |= USART_CR1_UE;          // 使能USART
}

寄存器解释

时钟使能 ：RCC->APB2ENR 和 RCC->AHB1ENR 分别控制 USART 和 GPIO 的时钟。
GPIO 配置 ：
- MODER：设置引脚为复用模式（10）。
- OTYPER：设置为推挽输出（0）。
- OSPEEDR：设置为高速模式（11）。
- AFR：选择复用功能 AF7（USART1）。
波特率计算 ：BRR 寄存器根据公式 fPCLK / (16 * 波特率) 计算分频值。
控制寄存器 ：
- CR1：使能发送（TE）、接收（RE）和 USART（UE）。
- CR2：设置停止位（默认 00 为 1 位）。
- CR3：禁用硬件流控制（0）。

2. 数据发送

HAL 库方式

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uint8_t txData[] = "Hello, World!";
HAL_UART_Transmit(&huart1, txData, sizeof(txData), 1000);

寄存器方式

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void UART1_Send(uint8_t* data, uint32_t length) {
  for (uint32_t i = 0; i < length; i++) {
    // 等待发送缓冲区为空
    while (!(USART1->SR & USART_SR_TXE));
    USART1->DR = data[i]; // 写入数据到数据寄存器
  }
  // 等待发送完成
  while (!(USART1->SR & USART_SR_TC));
}

寄存器解释

SR 寄存器 ：
- TXE（发送缓冲区空）：当置位时，表示可以写入新数据。
- TC（发送完成）：当置位时，表示最后一个数据已发送完毕。
DR 寄存器：存储要发送的数据（低位 8 位有效）。

3. 数据接收

HAL 库方式

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uint8_t rxData[10];
HAL_UART_Receive(&huart1, rxData, 10, 1000);

寄存器方式

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void UART1_Receive(uint8_t* data, uint32_t length) {
  for (uint32_t i = 0; i < length; i++) {
    // 等待接收缓冲区非空
    while (!(USART1->SR & USART_SR_RXNE));
    data[i] = USART1->DR; // 读取数据寄存器
  }
}

寄存器解释

SR 寄存器 ：
- RXNE（接收缓冲区非空）：当置位时，表示接收到新数据。
DR 寄存器：存储接收到的数据（低位 8 位有效）。

4. 中断接收

HAL 库方式

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uint8_t rxBuffer;
HAL_UART_Receive_IT(&huart1, &rxBuffer, 1);

void HAL_UART_RxCpltCallback(UART_HandleTypeDef* huart) {
  if (huart->Instance == USART1) {
    // 处理接收到的数据 rxBuffer
    HAL_UART_Receive_IT(&huart1, &rxBuffer, 1); // 重新开启中断
  }
}

寄存器方式

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void UART1_Receive_IT(void) {
  // 使能接收中断
  USART1->CR1 |= USART_CR1_RXNEIE;
  // 配置NVIC
  NVIC_SetPriority(USART1_IRQn, 0);
  NVIC_EnableIRQ(USART1_IRQn);
}

void USART1_IRQHandler(void) {
  if (USART1->SR & USART_SR_RXNE) { // 接收缓冲区非空
    uint8_t data = USART1->DR;
    // 处理接收到的数据
    USART1->SR &= ~USART_SR_RXNE; // 清除标志（读取DR自动清除）
  }
}

寄存器解释

CR1 寄存器 ：
- RXNEIE：使能接收中断。
NVIC 配置：设置中断优先级并使能 USART1 中断。
中断处理 ：
- 检查RXNE标志是否置位。
- 读取DR寄存器获取数据（读取后RXNE自动清除）。

总结

功能	HAL 库函数	对应寄存器操作
初始化	`HAL_UART_Init()`	配置 BRR、CR1、CR2、CR3 寄存器
发送数据	`HAL_UART_Transmit()`	等待 TXE 置位，写入 DR 寄存器
接收数据	`HAL_UART_Receive()`	等待 RXNE 置位，读取 DR 寄存器
中断接收	`HAL_UART_Receive_IT()`	使能 RXNEIE，配置 NVIC，在中断中读取 DR
发送完成回调	`HAL_UART_TxCpltCallback()`	检查 TC 标志
接收完成回调	`HAL_UART_RxCpltCallback()`	检查 RXNE 标志

通过对比可以看出，HAL 库函数本质上是对寄存器操作的封装，简化了开发流程，但理解寄存器原理有助于深入掌握 UART 通信机制。