STM32 进阶封神之路（十二）：串口实战全攻略 —— 发送 / 接收 / 中断 /printf 重定向（库函数 + 寄存器）

STM32 进阶封神之路（十二）：串口实战全攻略 ------ 发送 / 接收 / 中断 /printf 重定向（库函数 + 寄存器）

上一篇我们吃透了串口通信的底层原理，这一篇就进入核心实战环节！基于 STM32F103 的 USART 外设，从串口初始化配置、单字节 / 字符串发送、查询式接收，到中断非阻塞接收、printf 重定向，全程拆解每一步操作，让你真正实现 "STM32 与电脑串口双向通信"，彻底掌握串口的全场景应用！

本文基于实战资料，所有代码均以 "USART1+115200bps+8N1" 为标准配置，库函数与寄存器双版本覆盖，新手可直接照搬，进阶者可深挖底层逻辑！

一、STM32 串口核心资源与硬件连接

1. STM32F103 串口资源分布

STM32F103 系列搭载 3 个 USART（通用同步异步收发器）和 2 个 UART（仅异步），核心资源如下：

表格

串口型号	挂载总线	TX 引脚	RX 引脚	核心特性	典型应用
USART1	APB2（72MHz）	PA9（复用推挽）	PA10（浮空输入）	支持同步 / 异步、中断、DMA	与电脑通信、高速数据传输
USART2	APB1（36MHz）	PA2 / PD5	PA3 / PD6	支持中断、DMA	与蓝牙 / WiFi 模块通信
USART3	APB1（36MHz）	PB10 / PC10	PB11 / PC11	支持中断、DMA	与 485 模块通信

实战选型：优先选择 USART1（APB2 总线，时钟频率高，传输速度快），本文以 USART1 为例。

2. 硬件连接（STM32 与电脑通信）

• 核心链路：STM32 USART1 → USB-TTL 模块（CH340G） → 电脑 USB 口；
• 具体接线：
  • STM32 PA9（USART1_TX） → USB-TTL 模块 RX；
  • STM32 PA10（USART1_RX） → USB-TTL 模块 TX；
  • STM32 GND → USB-TTL 模块 GND；
  • USB-TTL 模块 USB 口 → 电脑 USB 口；
• 关键注意：TX 与 RX 必须交叉连接（STM32 的 TX 接模块的 RX，反之亦然），共地是通信稳定的前提。

二、串口初始化配置（核心步骤，必掌握）

串口使用前必须完成 "时钟使能→GPIO 配置→串口参数配置→中断配置（可选）"，以下是库函数与寄存器双版本实现。

1. 库函数版初始化（USART1，115200bps 8N1）

c

运行

#include "stm32f10x.h"

// USART1初始化：115200bps，8位数据位，无校验，1位停止位
void USART1_Init(void) {
    GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStruct;
    USART_InitTypeDef USART_InitStruct;

    // 1. 使能USART1和GPIOA时钟（USART1挂载APB2，GPIOA挂载APB2）
    RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_USART1 | RCC_APB2Periph_GPIOA, ENABLE);

    // 2. 配置GPIO引脚（PA9=TX，PA10=RX）
    // 配置PA9为复用推挽输出（USART1_TX）
    GPIO_InitStruct.GPIO_Pin = GPIO_Pin_9;
    GPIO_InitStruct.GPIO_Mode = GPIO_Mode_AF_PP; // 复用推挽输出（关键！）
    GPIO_InitStruct.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;
    GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStruct);

    // 配置PA10为浮空输入（USART1_RX）
    GPIO_InitStruct.GPIO_Pin = GPIO_Pin_10;
    GPIO_InitStruct.GPIO_Mode = GPIO_Mode_IN_FLOATING; // 浮空输入（推荐）
    GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStruct);

    // 3. 配置USART1参数（8N1）
    USART_InitStruct.USART_BaudRate = 115200; // 波特率115200
    USART_InitStruct.USART_WordLength = USART_WordLength_8b; // 8位数据位
    USART_InitStruct.USART_StopBits = USART_StopBits_1; // 1位停止位
    USART_InitStruct.USART_Parity = USART_Parity_No; // 无校验
    USART_InitStruct.USART_HardwareFlowControl = USART_HardwareFlowControl_None; // 无硬件流控
    USART_InitStruct.USART_Mode = USART_Mode_Tx | USART_Mode_Rx; // 收发模式
    USART_Init(USART1, &USART_InitStruct);

    // 4. 使能USART1
    USART_Cmd(USART1, ENABLE);
}

2. 寄存器版初始化（底层逻辑拆解）

c

运行

#include "stm32f10x.h"

void USART1_Init(void) {
    // 1. 使能USART1和GPIOA时钟（APB2ENR寄存器）
    RCC->APB2ENR |= (1<<14) | (1<<2); // bit14=USART1，bit2=GPIOA

    // 2. 配置GPIOA9（TX）为复用推挽输出
    GPIOA->CRH &= ~(0x0F<<4); // 清除PA9配置（CRH对应PA8~PA15，PA9对应bit5~bit4）
    GPIOA->CRH |= (0x0B<<4);  // MODE9=11（50MHz），CNF9=10（复用推挽）

    // 3. 配置GPIOA10（RX）为浮空输入
    GPIOA->CRH &= ~(0x0F<<8); // 清除PA10配置（PA10对应bit9~bit8）
    GPIOA->CRH |= (0x04<<8);  // MODE10=00（输入），CNF10=01（浮空输入）

    // 4. 配置USART1波特率（115200bps，APB2时钟72MHz）
    // 波特率计算公式：USARTDIV = 时钟频率 / (16×波特率) = 72000000/(16×115200)≈39.0625
    USART1->BRR = 0x271; // 39.0625 → 整数部分39=0x27，小数部分0.0625×16=1 → 0x271

    // 5. 配置USART1参数（8N1）
    USART1->CR1 &= ~(1<<12); // M=0（8位数据位）
    USART1->CR1 &= ~(1<<10); // PCE=0（无校验）
    USART1->CR2 &= ~(3<<12); // STOP=00（1位停止位）

    // 6. 使能USART1收发功能
    USART1->CR1 |= (1<<2) | (1<<3); // RE=1（接收使能），TE=1（发送使能）

    // 7. 使能USART1
    USART1->CR1 |= (1<<13); // UE=1（USART使能）
}

3. 初始化核心要点（避坑关键）

• GPIO 模式：TX 必须配置为GPIO_Mode_AF_PP（复用推挽输出），不能用普通输出模式（否则无串口信号输出）；
• 波特率计算：USART1 挂载 APB2（72MHz），波特率 = 72MHz/(16×USARTDIV)，115200bps 对应的 USARTDIV=39.0625，BRR=0x271；
• 时钟使能：USART1 属于 APB2 总线外设，需调用RCC_APB2PeriphClockCmd，而非 APB1；
• 引脚复用：PA9/PA10 默认复用为 USART1_TX/RX，无需额外配置复用寄存器（库函数自动处理）。

三、串口发送实战：单字节 + 字符串 + printf 重定向

串口发送是最常用的功能（如调试打印、数据上传），核心是 "等待发送数据寄存器为空→写入数据"，以下是三种发送场景的实现。

1. 单字节发送（库函数 + 寄存器）

（1）库函数版：USART_SendData

c

运行

// 发送单个字节
void USART1_SendByte(uint8_t data) {
    // 等待发送数据寄存器（TDR）为空
    while(USART_GetFlagStatus(USART1, USART_FLAG_TXE) == RESET);
    // 写入数据到发送寄存器
    USART_SendData(USART1, data);
    // 等待发送完成（可选，确保数据发送完毕）
    while(USART_GetFlagStatus(USART1, USART_FLAG_TC) == RESET);
}

（2）寄存器版：直接操作TDR寄存器

c

运行

void USART1_SendByte(uint8_t data) {
    // 等待TXE位（bit7）置1（发送数据寄存器为空）
    while(!(USART1->SR & (1<<7)));
    // 写入数据到TDR寄存器（DR寄存器）
    USART1->DR = data;
    // 等待TC位（bit6）置1（发送完成）
    while(!(USART1->SR & (1<<6)));
}

2. 字符串发送（基于单字节封装）

c

运行

// 发送字符串（以'\0'为结束标志）
void USART1_SendString(uint8_t *str) {
    while(*str != '\0') {
        USART1_SendByte(*str);
        str++;
    }
    // 可选：发送换行符（\r\n），电脑串口助手自动换行
    USART1_SendByte('\r');
    USART1_SendByte('\n');
}

3. printf 重定向（调试打印神器）

通过重定向fputc函数，可直接使用printf打印调试信息（如变量值、程序状态），无需手动调用发送函数。

（1）重定向实现（需包含stdio.h）

c

运行

#include <stdio.h>

// 重定向fputc函数，printf输出到USART1
int fputc(int ch, FILE *f) {
    // 调用单字节发送函数
    USART1_SendByte((uint8_t)ch);
    return ch;
}

（2）工程配置（关键！避免编译报错）

1. 点击 KEIL 工具栏 "Options for Target"→"Target" 选项卡；
2. 勾选 "Use MicroLIB"（启用微型标准库，支持 printf 重定向）；
3. 点击 "OK"，编译时自动链接标准库函数。

（3）使用示例

c

运行

int main(void) {
    uint16_t temp = 255;
    float voltage = 3.3f;

    USART1_Init(); // 初始化USART1

    while(1) {
        // 发送字符串
        USART1_SendString("Hello STM32 USART!");
        // printf打印变量
        printf("temp = %d, voltage = %.2fV\r\n", temp, voltage);
        // 延时1秒
        delay_ms(1000);
    }
}

（4）运行效果

电脑串口助手（如 SecureCRT、SSCOM）配置 115200bps 8N1，会周期性接收：

plaintext

Hello STM32 USART!
temp = 255, voltage = 3.30V

四、串口接收实战：查询式 + 中断式（非阻塞）

串口接收分为 "查询阻塞式" 和 "中断非阻塞式"，查询式适用于简单场景，中断式不占用 CPU 资源，是实战首选。

1. 查询阻塞式接收（简单场景，少用）

核心逻辑：循环查询接收数据寄存器（RDR）是否有数据，有则读取，无则等待（阻塞主程序）。

库函数版实现

c

运行

// 查询接收单个字节（阻塞，超时返回0）
uint8_t USART1_ReceiveByte_Block(uint32_t timeout) {
    uint32_t tick = 0;
    // 等待接收数据寄存器（RDR）非空
    while(USART_GetFlagStatus(USART1, USART_FLAG_RXNE) == RESET) {
        tick++;
        if(tick > timeout) {
            return 0; // 超时返回0
        }
    }
    // 读取接收数据
    return (uint8_t)USART_ReceiveData(USART1);
}

// 主函数测试
int main(void) {
    uint8_t rx_data;

    USART1_Init();
    USART1_SendString("USART1 Ready!");

    while(1) {
        // 等待接收数据（超时1000000次循环）
        rx_data = USART1_ReceiveByte_Block(1000000);
        if(rx_data != 0) {
            // 回显接收的数据
            USART1_SendString("Receive: ");
            USART1_SendByte(rx_data);
            USART1_SendByte('\r');
            USART1_SendByte('\n');
        }
    }
}

优缺点

• 优点：代码简单，无需配置中断；
• 缺点：阻塞主程序，期间无法执行其他任务（如 LED 闪烁），仅适用于低要求场景。

2. 中断非阻塞式接收（实战首选）

核心逻辑：接收数据时触发中断，在中断服务函数中读取数据，主程序无阻塞，可并行执行其他任务。

（1）库函数版完整实现

c

运行

#include "stm32f10x.h"
#include <stdio.h>

#define RX_BUFFER_SIZE 128 // 接收缓冲区大小
uint8_t rx_buffer[RX_BUFFER_SIZE]; // 接收缓冲区
uint16_t rx_index = 0; // 缓冲区索引

// USART1初始化（含中断配置）
void USART1_Init(void) {
    GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStruct;
    USART_InitTypeDef USART_InitStruct;
    NVIC_InitTypeDef NVIC_InitStruct;

    // 1. 使能时钟
    RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_USART1 | RCC_APB2Periph_GPIOA, ENABLE);

    // 2. 配置GPIO
    GPIO_InitStruct.GPIO_Pin = GPIO_Pin_9;
    GPIO_InitStruct.GPIO_Mode = GPIO_Mode_AF_PP;
    GPIO_InitStruct.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;
    GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStruct);

    GPIO_InitStruct.GPIO_Pin = GPIO_Pin_10;
    GPIO_InitStruct.GPIO_Mode = GPIO_Mode_IN_FLOATING;
    GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStruct);

    // 3. 配置USART1参数
    USART_InitStruct.USART_BaudRate = 115200;
    USART_InitStruct.USART_WordLength = USART_WordLength_8b;
    USART_InitStruct.USART_StopBits = USART_StopBits_1;
    USART_InitStruct.USART_Parity = USART_Parity_No;
    USART_InitStruct.USART_HardwareFlowControl = USART_HardwareFlowControl_None;
    USART_InitStruct.USART_Mode = USART_Mode_Tx | USART_Mode_Rx;
    USART_Init(USART1, &USART_InitStruct);

    // 4. 配置USART1接收中断
    USART_ITConfig(USART1, USART_IT_RXNE, ENABLE); // 使能接收数据中断

    // 5. 配置NVIC（中断优先级）
    NVIC_InitStruct.NVIC_IRQChannel = USART1_IRQn;
    NVIC_InitStruct.NVIC_IRQChannelPreemptionPriority = 1; // 抢占优先级1
    NVIC_InitStruct.NVIC_IRQChannelSubPriority = 0; // 响应优先级0
    NVIC_InitStruct.NVIC_IRQChannelCmd = ENABLE;
    NVIC_Init(&NVIC_InitStruct);

    // 6. 使能USART1
    USART_Cmd(USART1, ENABLE);
}

// USART1中断服务函数
void USART1_IRQHandler(void) {
    uint8_t rx_data;
    // 检查接收数据中断标志位
    if(USART_GetITStatus(USART1, USART_IT_RXNE) != RESET) {
        // 读取接收数据
        rx_data = (uint8_t)USART_ReceiveData(USART1);
        // 数据存入缓冲区（循环缓冲区，防止溢出）
        if(rx_index < RX_BUFFER_SIZE) {
            rx_buffer[rx_index++] = rx_data;
            // 回显数据（可选）
            USART1_SendByte(rx_data);
        } else {
            rx_index = 0; // 缓冲区溢出，重置索引
        }
        // 清除中断标志位（库函数自动清除，寄存器版需手动清除）
        USART_ClearITPendingBit(USART1, USART_IT_RXNE);
    }
}

// 读取接收缓冲区数据（非阻塞）
uint16_t USART1_ReadBuffer(uint8_t *buf, uint16_t len) {
    uint16_t count = 0;
    while(rx_index > 0 && count < len) {
        buf[count++] = rx_buffer[--rx_index];
    }
    return count;
}

// 单字节发送函数（printf重定向用）
void USART1_SendByte(uint8_t data) {
    while(USART_GetFlagStatus(USART1, USART_FLAG_TXE) == RESET);
    USART_SendData(USART1, data);
    while(USART_GetFlagStatus(USART1, USART_FLAG_TC) == RESET);
}

// printf重定向
int fputc(int ch, FILE *f) {
    USART1_SendByte((uint8_t)ch);
    return ch;
}

// 主函数测试（非阻塞接收+LED闪烁）
int main(void) {
    uint8_t buf[RX_BUFFER_SIZE];
    uint16_t len;

    USART1_Init();
    printf("USART1 Interrupt Receive Ready!\r\n");

    // 配置PB0为推挽输出（LED）
    RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOB, ENABLE);
    GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStruct;
    GPIO_InitStruct.GPIO_Pin = GPIO_Pin_0;
    GPIO_InitStruct.GPIO_Mode = GPIO_Mode_Out_PP;
    GPIO_InitStruct.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;
    GPIO_Init(GPIOB, &GPIO_InitStruct);

    while(1) {
        // 非阻塞读取接收数据
        len = USART1_ReadBuffer(buf, RX_BUFFER_SIZE);
        if(len > 0) {
            // 打印接收的数据
            printf("Receive %d bytes: ", len);
            for(uint16_t i=0; i<len; i++) {
                printf("%02X ", buf[i]);
            }
            printf("\r\n");
        }

        // 并行执行LED闪烁（无阻塞）
        GPIO_SetBits(GPIOB, GPIO_Pin_0);
        delay_ms(500);
        GPIO_ResetBits(GPIOB, GPIO_Pin_0);
        delay_ms(500);
    }
}

（2）寄存器版中断接收核心代码

c

运行

// USART1中断服务函数（寄存器版）
void USART1_IRQHandler(void) {
    uint8_t rx_data;
    // 检查RXNE中断标志位（bit5）
    if(USART1->SR & (1<<5)) {
        // 读取接收数据
        rx_data = USART1->DR;
        // 存入缓冲区
        if(rx_index < RX_BUFFER_SIZE) {
            rx_buffer[rx_index++] = rx_data;
        } else {
            rx_index = 0;
        }
        // 寄存器版无需手动清除RXNE标志位（读取DR后自动清除）
    }
}

核心优势

• 非阻塞：主程序可并行执行其他任务（如 LED 闪烁、传感器采集），不被接收操作阻塞；
• 高效：数据接收由中断触发，仅在有数据时占用 CPU 资源；
• 可扩展：通过循环缓冲区支持多字节连续接收，适配大数据量传输。

五、串口通信常见问题与避坑指南

1. 串口无输出 / 接收不到数据

高频原因与解决方案

• 原因 1：TX/RX 接反→数据传输方向错误；解决：交换 STM32 TX 与 USB-TTL 模块 RX 的接线；
• 原因 2：GPIO 模式配置错误（TX 未设为复用推挽）；解决：TX 引脚必须配置为GPIO_Mode_AF_PP，而非GPIO_Mode_Out_PP；
• 原因 3：时钟未使能（USART1 或 GPIOA 时钟未开启）；解决：确认RCC_APB2PeriphClockCmd已使能对应时钟；
• 原因 4：波特率配置错误（如 USART1 按 APB1 时钟计算）；解决：USART1 挂载 APB2（72MHz），波特率计算需用 72MHz 时钟；
• 原因 5：未共地→信号干扰导致通信失败；解决：确保 STM32 与 USB-TTL 模块共地。

2. 通信乱码

高频原因与解决方案

• 原因 1：波特率 / 数据位 / 校验位 / 停止位不匹配；解决：确保 STM32 与电脑串口助手配置一致（115200bps 8N1）；
• 原因 2：时钟频率误差过大（如外部晶振不是 8MHz）；解决：核对system_stm32f10x.c中的系统时钟配置，确保 USART1 时钟为 72MHz；
• 原因 3：信号干扰（导线过长、靠近电源模块）；解决：使用短于 10cm 的优质杜邦线，远离电源电路和高频信号；
• 原因 4：printf 重定向未启用 MicroLIB；解决：勾选 KEIL 的 "Use MicroLIB" 选项。

3. 中断接收不响应

高频原因与解决方案

• 原因 1：未使能 USART 接收中断；解决：调用USART_ITConfig(USART1, USART_IT_RXNE, ENABLE)；
• 原因 2：NVIC 未配置或优先级错误；解决：正确配置 NVIC 中断通道和优先级，确保中断使能；
• 原因 3：中断服务函数名称错误；解决：中断服务函数名称必须为USART1_IRQHandler（启动文件弱定义名称）；
• 原因 4：未清除中断标志位；解决：寄存器版需读取 DR 寄存器清除 RXNE 标志位，库函数版调用USART_ClearITPendingBit。

六、总结：串口实战核心要点与进阶方向

1. 核心要点回顾

• 串口初始化四步走：时钟使能→GPIO 配置（TX 复用推挽，RX 浮空输入）→串口参数配置→中断配置（可选）；
• 发送核心：等待 TXE 位为空→写入数据，printf 重定向需启用 MicroLIB；
• 接收核心：查询式适用于简单场景，中断式非阻塞是实战首选，需配合缓冲区存储数据；
• 避坑关键：TX/RX 交叉连接、共地、GPIO 复用模式、波特率计算正确。

2. 进阶学习方向

• DMA 接收：使用 DMA 实现串口数据高速接收，彻底解放 CPU；
• 多串口通信：同时使用 USART1（与电脑）和 USART2（与蓝牙模块），实现数据转发；
• 串口协议：自定义串口通信协议（如帧头 + 数据 + 校验位），实现可靠数据传输；
• 无线通信：通过串口对接蓝牙、WiFi、4G 模块，实现远程数据传输。

串口是 STM32 开发的 "万能接口"，掌握发送、接收、中断、printf 重定向后，你可以实现调试打印、设备通信、数据上传等几乎所有嵌入式通信场景。下一篇我们将学习 I2C 通信，实现 STM32 与 OLED 屏幕、EEPROM 等外设的交互！