一、USART/UART 串口协议（嵌入式开发视角）简介
串口协议是嵌入式系统中最常用的异步串行通信协议，核心用于设备间低成本、近距离数据传输，以下是精准且贴合开发实际的核心知识点：
1.1 核心定义与区别（嵌入式场景重点）
1. 缩写含义
- UART ：Universal Asynchronous Receiver/Transmitter（通用异步收发器）
- 无时钟线，依赖双方约定的波特率同步，嵌入式中最常用（如 STM32 的 USART 外设可配置为 UART 模式）。
- USART ：Universal Synchronous/Asynchronous Receiver/Transmitter（通用同步 / 异步收发器）
- 兼容异步（UART）和同步（需时钟线 SCLK）模式，同步模式可提高传输稳定性（如与 SPI 设备搭配时），但嵌入式中极少用同步模式，通常直接当作 UART 使用。
2. 关键区别（开发中无需纠结，重点记 "UART 足够用"）
| 特性 | UART | USART |
|---|---|---|
| 时钟依赖 | 无（异步） | 可选（同步 / 异步） |
| 硬件线数 | 最少 2 根（TX 发送、RX 接收，GND 共地） | 异步模式同 UART，同步模式需加 SCLK |
| 嵌入式应用 | 99% 场景（调试、模块通信） | 本质用其 UART 模式，同步模式极少用 |
2.1 核心工作原理（嵌入式开发必须掌握）
1. 通信本质
- 串行传输：数据按位（bit） 顺序发送（而非并行），节省 GPIO 资源。
- 异步同步：无需时钟线，发送方和接收方必须提前约定波特率、数据位、校验位、停止位（即 "串口参数"），否则数据传输错误。
2. 帧结构（核心！配置串口的关键依据）
串口数据以 "帧" 为单位传输，标准帧结构（嵌入式最常用：8N1）如下：
起始位（1bit，低电平） → 数据位（8bit，LSB先传） → 校验位（0/1bit，可选） → 停止位（1bit，高电平）- 起始位：低电平触发接收（默认空闲状态为高电平）；
- 数据位：5~9bit 可选，嵌入式中 99% 用 8bit（字节传输）；
- 校验位：无（N）、奇（O）、偶（E）可选，用于简单错误检测（嵌入式中常用 "无校验"，靠上层协议容错）；
- 停止位：1/1.5/2bit 可选，高电平结束一帧，保证帧间隔。
3. 关键参数（STM32 配置时必须匹配，否则乱码）
异步时必须提前规定波特率
- 波特率 ：每秒传输的比特数（bit/s），嵌入式常用：9600、19200、115200（调试首选）、460800（高速传输）；
- 注意：双方波特率误差需≤3%（由晶振精度决定，STM32 用 HSE 晶振比 HSI 更稳定）。
- 数据位 + 校验位 + 停止位：嵌入式标准配置为 8N1（8 位数据、无校验、1 位停止位），部分模块可能用 7E1（7 位数据 + 偶校验），需看模块手册。
1.3 硬件连接（嵌入式实战重点）
1. 最小系统连接（必须共地！）
- 主机 TX → 从机 RX（交叉连接，如 STM32 的 PA9 (TX) → 蓝牙模块的 RX）；
- 主机 RX → 从机 TX；
- 主机 GND → 从机 GND（共地是通信成功的关键，否则信号干扰导致乱码）。
2. 电平匹配（嵌入式常见坑！）
- 嵌入式 MCU（如 STM32）的串口电平：TTL 电平（0V = 低电平，3.3V = 高电平）；
- PC 机串口电平：RS232 电平（-15V~-3V = 高电平，3V~15V = 低电平）；
- 若 STM32 直接连 PC，需用 USB-TTL 模块（如 CH340）做电平转换，否则会烧毁 GPIO。
1.4 嵌入式开发核心应用场景
- 调试打印 ：重定向
printf到串口，输出调试信息（如变量值、函数执行状态），是嵌入式开发最基础的调试手段； - 模块通信：与低速率传感器 / 模块通信（如 GPS 模块、蓝牙模块 HC-05、温湿度传感器 SHT30（UART 版本）、RFID 模块）；
- 设备间通信：两个 MCU（如 STM32 与 Arduino）之间的简单数据交互（无需复杂协议，直接传字节）。
1.5 STM32 开发关键要点（贴合实战）
- 外设选择：STM32 的 USART1~USART3、UART4~UART5（不同型号不同），均可配置为 UART 模式；
- 配置步骤 ：
- GPIO 复用：将 TX 配置为复用推挽输出，RX 配置为浮空输入；
- 波特率配置：通过 USART 的 BRR 寄存器设置（由 APB 时钟和目标波特率计算得出，STM32CubeMX 可自动生成）；
- 帧格式配置：CR1 寄存器设置数据位、校验位，CR2 设置停止位；
- 中断 / DMA：接收数据常用中断（避免阻塞），大量数据传输用 DMA（降低 CPU 占用）；
- 常见问题 ：
- 乱码：波特率不匹配、电平不匹配、共地不良；
- 丢包：接收缓冲区溢出（未及时读取）、中断优先级设置过低、波特率误差过大。
1.6 总结（嵌入式开发视角）
- UART 是串口协议的核心，USART 在嵌入式中本质当作 UART 用，无需关注同步模式；
- 核心记住 "8N1+115200 波特率" 这一标准配置，90% 场景适用；
- 开发重点：GPIO 复用配置、波特率计算、中断 / DMA 接收、电平匹配与共地，这些直接决定通信成败。
1.7 逻辑电平与电气电平的对应关系（补充）
电平标准是数据1和数据0的表达方式，是传输线缆中人为规定的电
压与数据的对应关系，串口常用的电平标准有如下三种：
ITL电平：+3.3V或+5V表示1，0V表示0
RS232电平:-3~-15V表示1，+3~+15V表示0
RS485电平：两线压差+2~+6V表示1，-2~-6V表示0（差分信号）
二、通信讲解
2.1 串口参数及时序
注：低位先行
波特率：串口通信的速率
起始位：标志一个数据帧的开始，固定为低电平
数据位：数据帧的有效载荷，1为高电平，0为低电平，低位先行
校验位：用于数据验证，根据数据位计算得来
停止位：用于数据帧间隔，固定为高电平
8 位数据位的帧格式：帧结构为「1 位起始位 + 8 位数据位（D0~D7） + 1 位停止位」，总长度 10 位，对应常见的 "8N1" 配置（8 位数据、无校验、1 位停止位）。
9 位数据位的帧格式：帧结构为「1 位起始位 + 9 位数据位（D0~D7 + RB8/TB8） + 1 位停止位」，总长度 11 位。这里的 "RB8/TBS" 是第 9 位数据位（在 USART 外设中，第 9 位常被标记为 RB8（接收）/TB8（发送））。
2.2 串口时序实际采样图
做个简短分析，一般的MCU都已经集成了UART
注：可以学习一下逻辑分析仪采样方法，可以使用便宜的学习研究波形，到工作中就可以使用更精密的仪器调试工业设备或者量产产品了。
或者
