一、引言
串口通信（USART）是STM32微控制器中最常用的通信接口之一，广泛应用于设备调试、数据传输等场景。本章将讲解STM32F103的串口功能框图，帮助新手小白理解其工作原理和配置方法。通过学习，更好地掌握串口的基本构成、数据流和控制机制。
二、串口功能框图概述
STM32的串口功能框图主要包括四个核心部分：
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引脚：物理接口，负责信号传输
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数据寄存器：存储发送和接收的数据
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控制器：管理串口的工作状态和流程
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波特率发生器：控制通信速率
这些部分协同工作，实现全双工或半双工的串行通信。
三、引脚功能详解
STM32F103系列芯片提供了多个USART接口，每个接口对应特定的引脚。以下是引脚分配表：
| 引脚功能 | USART1 (APB2) | USART2 (APB1) | USART3 (APB1) | UART4 (APB1) | UART5 (APB1) |
|---|---|---|---|---|---|
| TX | PA9 | PA2 | PB10 | PC10 | PC12 |
| RX | PA10 | PA3 | PB11 | PC11 | PD2 |
| SCLK | PA8 | PA4 | PB12 | - | - |
| nCTS | PA11 | PA0 | PB13 | - | - |
| nRTS | PA12 | PA1 | PB14 | - | - |
引脚功能说明：
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TX：数据发送引脚，输出串行数据
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RX：数据接收引脚，输入串行数据
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SCLK：时钟引脚，仅在同步通信模式下使用
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nRTS：请求发送（Request To Send），流控制信号
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nCTS：清除发送（Clear To Send），流控制信号
注意：USART1挂载在APB2总线上（最高72MHz），其他USART挂载在APB1总线上（最高36MHz），这会影响波特率设置。
四、数据寄存器（USART_DR）
数据寄存器是串口通信的核心，用于暂存传输数据：
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结构：9位有效，实际包含两个物理寄存器：
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TDR：发送数据寄存器
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RDR：接收数据寄存器
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地址映射：虽然逻辑上是一个地址（USART_DR），但读写操作会访问不同的物理寄存器：
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写入操作：数据存入TDR
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读取操作：数据来自RDR
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工作原理：
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发送时，CPU将数据写入USART_DR，硬件自动将数据从TDR加载到发送移位寄存器
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接收时，数据从接收移位寄存器转移到RDR，CPU读取USART_DR获取数据
五、控制器详解
控制器通过一系列寄存器管理串口的工作状态，主要寄存器包括：
5.1 控制寄存器1（USART_CR1）
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M位：数据位长度选择
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0：8位数据字长
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1：9位数据字长
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PCE位：校验控制使能
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PS位：校验选择（偶校验/奇校验）
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TE位：发送使能
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RE位：接收使能
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UE位：USART使能
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TXEIE位：发送缓冲区空中断使能
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TCIE位：发送完成中断使能
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RXNEIE位：接收缓冲区非空中断使能
5.2 控制寄存器2（USART_CR2）
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STOP位：停止位长度配置（1位、1.5位、2位）
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同步模式相关控制位
5.3 状态寄存器（USART_SR）
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TXE位：发送数据寄存器空标志
- 1表示TDR为空，可以写入新数据
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TC位：发送完成标志
- 1表示所有数据已发送完毕（包括停止位）
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RXNE位：接收数据寄存器非空标志
- 1表示RDR中有新数据可读取
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PE位：校验错误标志
六、数据流详细流程
6.1 数据发送流程
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使能串口：设置USART_CR1的UE=1、TE=1
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检查TXE标志：等待USART_SR的TXE=1（表示TDR就绪）
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写入数据：将数据写入USART_DR，硬件自动清除TXE标志
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数据移位：硬件将数据从TDR转移到发送移位寄存器
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串行发送：数据通过TX引脚逐位发送
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发送完成：检测TC标志（USART_SR.TC=1）确认发送完毕
6.2 数据接收流程
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使能串口：设置USART_CR1的UE=1、RE=1
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检测起始位：硬件自动检测RX引脚上的起始位
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数据采样：按波特率采样RX引脚，将数据存入接收移位寄存器
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数据转移：完整帧接收后，数据转移到RDR
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设置RXNE标志：USART_SR.RXNE=1，表示数据就绪
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读取数据：CPU读取USART_DR，硬件自动清除RXNE标志
七、波特率配置原理
波特率是串口通信的核心参数，表示每秒钟传输的符号数。
7.1 波特率计算公式
标准模式：
波特率 = f_CK / (16 × USARTDIV)
OVER8=1模式（8倍过采样）：
波特率 = f_CK / (8 × USARTDIV)
其中：
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fCK：串口时钟频率（注意APB1和APB2的区别）
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USARTDIV：无符号定点数，存储在波特率寄存器USART_BRR中
7.2 波特率寄存器（USART_BRR）结构
USART_BRR是32位寄存器，分为两部分：
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DIV_Mantissa：整数部分（位15:4）
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DIV_Fraction：小数部分（位3:0）
计算示例（USART1，72MHz时钟，115200波特率）：
115200 = 72000000 / (16 × USARTDIV) => USARTDIV = 39.0625
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整数部分：DIV_Mantissa = 39 = 0x27
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小数部分：DIV_Fraction = 0.0625 × 16 = 1 = 0x01
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USART_BRR值 = 0x271
7.3 实际配置步骤
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确定串口时钟频率（查看RCC配置）
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计算所需的USARTDIV值
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将整数和小数部分组合写入USART_BRR
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使能串口验证通信
八、错误处理机制
串口通信中常见的错误类型及检测方法：
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校验错误：通过PE标志检测
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帧错误：停止位检测失败
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噪声错误：采样过程中出现干扰
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溢出错误：新数据覆盖未读取的旧数据
这些错误标志位在USART_SR寄存器中，需要软件定期检查和处理。
九、实际应用建议
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初始化顺序：
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使能GPIO时钟和USART时钟
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配置GPIO为复用功能
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配置USART_BRR设置波特率
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配置USART_CR1、CR2、CR3
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使能USART（UE=1）
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中断使用：
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对于高效通信，建议使用中断方式
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使能相应中断标志（TXEIE、RXNEIE等）
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在中断服务程序中处理数据
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流控制应用：
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在高速通信或缓冲区有限时，使用nRTS/nCTS硬件流控制
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防止数据丢失或溢出
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参考资料：《零死角玩转STM32》"USART串口通信"章节、STM32F10x数据手册