STM32F103 学习笔记-21-串口通信(第6节)-串口发送命令控制RGB灯

一、串口中断到底是什么？（What）

你可以把 CPU 想象成一个正在专心做饭的厨师（执行主循环代码），串口外设就是小区的快递员。当有串口数据（快递）到达时，快递员不会一直敲门等厨师忙完（查询式），而是打一个电话（触发中断）------厨师暂停炒菜，去门口取快递（执行中断服务函数），取完后回到厨房继续炒菜（返回主循环）。

**串口接收中断（RXNE）** 是最常用的串口中断：当串口收到 1 字节数据并存入"接收数据寄存器"时，硬件自动触发中断，提醒 CPU"有数据要处理"，这是比"厨师每隔 10 秒去门口看一眼（查询式）"更高效的方式。

核心概念通俗解

中断源：触发中断的"事件"（这里是 USART1 收到数据）
中断向量表 ：CPU 的"电话簿"，记录"哪个中断对应哪个处理函数"（比如 USART1 中断对应 USART1_IRQHandler），位于 STM32F103 存储器映射的 0x08000000 起始处
NVIC：嵌套向量中断控制器，相当于"总机"，管理所有中断的优先级、是否允许响铃（使能），Cortex-M3 内核内置，支持 60 个可屏蔽中断通道和 16 个优先级

二、串口中断接收的核心硬件逻辑（Why）

串口接收数据的硬件流程就像快递入柜的过程，用 ASCII 流程图表示如下：

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串口外设接收串行数据 → 移位寄存器(USART_DR的高8位)拼装成1字节 → 存入接收数据寄存器(USART_DR低8位)
→ 硬件置位RXNE标志(USART_SR位5) → NVIC检测到使能的中断 → CPU保存现场 → 跳转到中断服务函数
→ 读取USART_DR(取快递，自动清RXNE灯) → 处理数据 → CPU恢复现场 → 返回主循环

核心寄存器完整说明（基于 STM32F103xCDE 数据手册）

寄存器组	寄存器名	地址偏移	作用（通俗类比）	关键位/操作
USART 通用	USART_SR	0x00	串口状态寄存器（快递柜状态提示灯）	• RXNE(位 5): 1=有新数据，0=无数据 • TXE(位 7): 1=发送寄存器空 • TC(位 6): 1=发送完成 • ORE(位 3): 1=溢出错误 • FE(位 1): 1=帧错误
	USART_DR	0x04	串口数据寄存器（快递柜储物格）	• 低 8 位: 存 1 字节收发数据 • 读操作: 取接收数据，自动清 RXNE • 写操作: 存发送数据，自动清 TXE
	USART_BRR	0x08	波特率寄存器（快递速度调节器）	• DIV_Mantissa[15:4]: 波特率分频器整数部分 • DIV_Fraction[3:0]: 波特率分频器小数部分
	USART_CR1	0x0C	控制寄存器 1（总开关）	• UE(位 13): 1=使能 USART • RE(位 2): 1=使能接收 • TE(位 3): 1=使能发送 • RXNEIE(位 5): 1=使能 RXNE 中断 • M(位 12): 0=8 位数据，1=9 位数据 • PCE(位 10): 1=使能奇偶校验
	USART_CR2	0x10	控制寄存器 2（停止位等）	• STOP[13:12]: 00=1 位停止位
	USART_CR3	0x14	控制寄存器 3（流控等）	• CTSE(位 9): 1=使能 CTS 流控 • RTSE(位 8): 1=使能 RTS 流控
RCC 时钟	RCC_APB2ENR	0x18	APB2 外设时钟使能寄存器	• USART1EN(位 14): 1=使能 USART1 时钟 • IOPAEN(位 2): 1=使能 GPIOA 时钟
GPIO	GPIOA_CRH	0x04	GPIOA 高 8 位配置寄存器	• MODE9[1:0]: PA9 模式 • CNF9[1:0]: PA9 配置 • MODE10[1:0]: PA10 模式 • CNF10[1:0]: PA10 配置
NVIC	NVIC_ISER0	0xE000E100	中断使能寄存器 0	• USART1_IRQn(位 37): 1=使能 USART1 中断
	NVIC_IPR9	0xE000E424	中断优先级寄存器 9	• USART1_PRIO[7:4]: 抢占优先级 • USART1_PRIO[3:0]: 子优先级

三、从 0 到 1 配置串口中断（How）

配置分 5 步，以下是提取后的最小可用代码，每行都标注"功能+硬件逻辑+寄存器操作+C 语言知识点"。

步骤 0：为什么选择在 `stm32f10x_it.c`文件中添加串口中断服务函数

stm32f10x_it.c是 STM32 标准库模板中**专门用于集中存放所有中断服务例程（ISR）**的核心文件，包含两部分核心内容：

Cortex-M3 内核异常处理函数（如 HardFault、SysTick、PendSV 等）；
外设中断服务函数的实现/模板（如串口、定时器、GPIO 等外设的中断处理）。

STM32 的中断服务函数命名必须严格匹配启动文件（如 startup_stm32f10x_xx.s）中中断向量表定义的函数名（例如 DEBUG_USART_IRQHandler），而 stm32f10x_it.c是 ST 官方推荐的中断服务函数实现位置，既符合 STM32 工程的标准化开发规范，也便于集中管理所有中断逻辑，因此串口中断服务函数需要在此文件中实现。

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// 串口中断服务函数（函数名需匹配启动文件中断向量表，不可随意修改）
void DEBUG_USART_IRQHandler(void)
{
  uint8_t ucTemp;  // 定义临时变量，用于暂存串口接收到的1字节数据
  
  // 检查DEBUG_USARTx的"接收数据寄存器非空（RXNE）"中断标志是否置位
  // 作用：判断是否有新的串口数据被接收，避免无中断时误处理
  // USART_GetITStatus：返回指定中断标志的状态（RESET/SET）
  if(USART_GetITStatus(DEBUG_USARTx, USART_IT_RXNE) != RESET)
  {		
    ucTemp = USART_ReceiveData(DEBUG_USARTx);  // 读取接收寄存器中的数据到临时变量
    USART_SendData(DEBUG_USARTx, ucTemp);      // 将接收到的数据回发（实现串口echo回显功能）
  }	 
}

补充说明

中断标志判断 ：USART_GetITStatus(DEBUG_USARTx, USART_IT_RXNE)是核心判断，确保仅在"有数据接收"时执行后续操作，避免无效的寄存器读写；
数据回显 ：代码中 USART_SendData是"回显"示例逻辑，实际项目中可替换为数据解析、缓存、协议处理等业务逻辑；
函数名约束 ：DEBUG_USART_IRQHandler的命名由串口外设（如 USART1 对应 USART1_IRQHandler）决定，需与启动文件中断向量表完全一致，否则中断无法触发。

步骤 1：宏定义与头文件（bsp_usart.h）

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#ifndef __BSP_USART_H
#define __BSP_USART_H

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

// 宏定义：改这里就能切换串口，无需改核心逻辑（C语言宏的复用价值）
// STM32F103: USART1在APB2(72MHz), USART2-5在APB1(36MHz)
#define DEBUG_USART1     1
#if DEBUG_USART1
#define  DEBUG_USARTx                   USART1          // 目标串口
#define  DEBUG_USART_CLK                RCC_APB2Periph_USART1  // 串口时钟
#define  DEBUG_USART_APBxClkCmd         RCC_APB2PeriphClockCmd // 时钟使能函数
#define  DEBUG_USART_BAUDRATE           115200          // 波特率

// GPIO配置：USART1_TX=PA9，RX=PA10（数据手册表5）
#define  DEBUG_USART_GPIO_CLK           RCC_APB2Periph_GPIOA
#define  DEBUG_USART_GPIO_APBxClkCmd    RCC_APB2PeriphClockCmd
#define  DEBUG_USART_TX_GPIO_PORT       GPIOA   
#define  DEBUG_USART_TX_GPIO_PIN        GPIO_Pin_9
#define  DEBUG_USART_RX_GPIO_PORT       GPIOA
#define  DEBUG_USART_RX_GPIO_PIN        GPIO_Pin_10

// 中断配置（数据手册表58）
#define  DEBUG_USART_IRQ                USART1_IRQn     // 中断通道号(37)
#define  DEBUG_USART_IRQHandler         USART1_IRQHandler // 中断函数名（必须和向量表一致）
#endif

// 函数声明
void USART_Config(void);
#endif

步骤 2：配置 NVIC（中断优先级）

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// bsp_usart.c
static void NVIC_Configuration(void)
{
    NVIC_InitTypeDef NVIC_InitStructure;  // C语言：定义结构体，存NVIC配置参数
    
    // 配置优先级分组：2位抢占优先级+2位子优先级（整个工程只能设1次）
    // 抢占优先级：高优先级中断能打断低优先级（比如快递电话能打断外卖电话）
    // 子优先级：同抢占优先级时，先处理子优先级高的
    // 寄存器操作：SCB->AIRCR = 0x05FA0000 | (0x2 << 8)
    NVIC_PriorityGroupConfig(NVIC_PriorityGroup_2);
    
    // 选择要配置的中断通道（USART1）
    NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannel = DEBUG_USART_IRQ;
    // 设置抢占优先级为1（0-3，数字越小越紧急）
    NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelPreemptionPriority = 1;
    // 设置子优先级为1
    NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelSubPriority = 1;
    // 使能该中断通道（允许总机转接这个电话）
    // 寄存器操作：NVIC->ISER[1] |= 1 << (DEBUG_USART_IRQ - 32)
    NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelCmd = ENABLE;
    // 将配置写入硬件寄存器（C语言：传结构体地址，函数修改硬件）
    NVIC_Init(&NVIC_InitStructure);
}

步骤 3：初始化 GPIO 与 USART

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// bsp_usart.c
void USART_Config(void)
{
    GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;
    USART_InitTypeDef USART_InitStructure;

    // 1. 使能GPIO时钟（给PA9/PA10供电）
    // 寄存器操作：RCC->APB2ENR |= RCC_APB2ENR_IOPAEN
    DEBUG_USART_GPIO_APBxClkCmd(DEBUG_USART_GPIO_CLK, ENABLE);
    // 2. 使能USART1时钟（给串口外设供电）
    // 寄存器操作：RCC->APB2ENR |= RCC_APB2ENR_USART1EN
    DEBUG_USART_APBxClkCmd(DEBUG_USART_CLK, ENABLE);

    // 3. 配置TX引脚（PA9）：复用推挽输出
    // 复用推挽：引脚既可以当普通IO，也能作为串口TX（专门对外发数据的喇叭）
    // 寄存器操作：GPIOA->CRH &= ~(0xF << 4); GPIOA->CRH |= (0xB << 4)
    // 即MODE9=11(50MHz), CNF9=10(复用推挽)
    GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = DEBUG_USART_TX_GPIO_PIN;
    GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_AF_PP;    // 复用推挽输出
    GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz; // 引脚响应速度
    GPIO_Init(DEBUG_USART_TX_GPIO_PORT, &GPIO_InitStructure);

    // 4. 配置RX引脚（PA10）：浮空输入
    // 浮空输入：不接高/低电平，只接收外部串口信号（专门听数据的麦克风）
    // 寄存器操作：GPIOA->CRH &= ~(0xF << 8); GPIOA->CRH |= (0x4 << 8)
    // 即MODE10=00(输入), CNF10=01(浮空输入)
    GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = DEBUG_USART_RX_GPIO_PIN;
    GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_IN_FLOATING; // 浮空输入
    GPIO_Init(DEBUG_USART_RX_GPIO_PORT, &GPIO_InitStructure);

    // 5. 配置USART参数
    // 波特率计算：USARTDIV = 72000000 / (16 * 115200) = 39.0625
    // 整数部分39，小数部分0.0625 * 16=1 → USART_BRR=0x271
    USART_InitStructure.USART_BaudRate = DEBUG_USART_BAUDRATE; // 波特率115200
    USART_InitStructure.USART_WordLength = USART_WordLength_8b; // 8位数据位
    USART_InitStructure.USART_StopBits = USART_StopBits_1;     // 1位停止位
    USART_InitStructure.USART_Parity = USART_Parity_No;        // 无校验位
    USART_InitStructure.USART_HardwareFlowControl = USART_HardwareFlowControl_None; // 无硬件流控
    USART_InitStructure.USART_Mode = USART_Mode_Rx | USART_Mode_Tx; // 收发模式
    // 寄存器操作：写入USART_BRR、USART_CR1、USART_CR2、USART_CR3
    USART_Init(DEBUG_USARTx, &USART_InitStructure);

    // 6. 配置中断优先级
    NVIC_Configuration();

    // 7. 使能RXNE中断（允许快递员打电话）
    // 寄存器操作：USART1->CR1 |= USART_CR1_RXNEIE
    USART_ITConfig(DEBUG_USARTx, USART_IT_RXNE, ENABLE);

    // 8. 使能USART外设（打开串口）
    // 寄存器操作：USART1->CR1 |= USART_CR1_UE
    USART_Cmd(DEBUG_USARTx, ENABLE);
}

步骤 4：编写中断服务函数

复制代码

// stm32f10x_it.c
#include "bsp_usart.h"

// 中断服务函数：函数名必须和中断向量表一致（不能随便改）
// 向量表定义在startup_stm32f10x_hd.s中
void DEBUG_USART_IRQHandler(void)
{
    uint8_t ucTemp; // C语言：uint8_t=无符号8位整数，存1字节数据
    
    // 好写法：先检查中断标志，防止处理非RXNE中断（比如串口错误中断）
    // 库函数实现：return ((USARTx->SR & USART_SR_RXNE) && (USARTx->CR1 & USART_CR1_RXNEIE))
    if(USART_GetITStatus(DEBUG_USARTx, USART_IT_RXNE) != RESET)
    {       
        // 读取接收数据（自动清除RXNE标志，无需手动清）
        // 寄存器操作：ucTemp = (uint8_t)(USART1->DR & 0xFF)
        ucTemp = USART_ReceiveData(DEBUG_USARTx);
        
        // 回显数据：把收到的字节发回去（测试用）
        // 寄存器操作：USART1->DR = ucTemp
        USART_SendData(DEBUG_USARTx, ucTemp);    
        
        // 坏写法：缺少发送完成等待，高波特率下可能丢数据
        // 好写法补充：等待TXE标志置1（发送寄存器空）
        // 寄存器操作：while(!(USART1->SR & USART_SR_TXE))
        while(USART_GetFlagStatus(DEBUG_USARTx, USART_FLAG_TXE) == RESET);
    }   
}

四、实战：串口命令控制 RGB 灯

方式 1：查询式接收（简单但低效）

复制代码

// main.c
#include "stm32f10x.h"
#include "bsp_usart.h"
#include "bsp_led.h"

int main(void)
{
    uint8_t ch; // 存接收的字符
    
    // 初始化串口（含中断配置，但这里先关闭中断，用查询式）
    USART_Config();
    // 寄存器操作：USART1->CR1 &= ~USART_CR1_RXNEIE
    USART_ITConfig(DEBUG_USARTx, USART_IT_RXNE, DISABLE); // 关闭中断
    // 初始化RGB灯GPIO
    LED_GPIO_Config();
    
    // printf能串口输出：因为重写了fputc（底层调用USART_SendData）
    printf("串口控制RGB灯\r\n");
    printf("发送'1'亮红灯 | '2'亮绿灯 | '3'亮蓝灯 | 其他灭灯\r\n");
    
    while(1) // 主循环（厨师一直炒菜）
    {
        // 查询：有没有新数据（每隔10秒看一眼门口）
        // 寄存器操作：if(USART1->SR & USART_SR_RXNE)
        if(USART_GetFlagStatus(DEBUG_USARTx, USART_FLAG_RXNE) == SET)
        {
            ch = USART_ReceiveData(DEBUG_USARTx); // 读取数据
            printf("收到：%c(0x%02X)\r\n", ch, ch);
            
            // 命令解析：注意是字符'1'（ASCII=0x31），不是数字1
            switch(ch)
            {
                case '1': LED_RED;    break; // 亮红灯
                case '2': LED_GREEN;  break; // 亮绿灯
                case '3': LED_BLUE;   break; // 亮蓝灯
                default:  LED_RGBOFF; break; // 灭所有灯
            }
        }
    }
}

方式 2：中断式接收（高效）

查询式会让 CPU 一直"查有没有数据"，中断式只在有数据时才处理，核心是用全局变量共享数据：

复制代码

// bsp_usart.h 新增全局变量声明
// volatile关键字：告诉编译器该变量可能被中断修改，不要优化
extern volatile uint8_t g_rx_data;   // 存接收的字节
extern volatile uint8_t g_rx_flag;   // 接收完成标志（1=有新数据）

// bsp_usart.c 新增全局变量定义
volatile uint8_t g_rx_data = 0;
volatile uint8_t g_rx_flag = 0;

// 修改中断服务函数
void DEBUG_USART_IRQHandler(void)
{
    if(USART_GetITStatus(DEBUG_USARTx, USART_IT_RXNE) != RESET)
    {       
        g_rx_data = USART_ReceiveData(DEBUG_USARTx);
        g_rx_flag = 1; // 标记有新数据
    }   
}

// main.c 修改
int main(void)
{
    USART_Config(); // 开启中断
    LED_GPIO_Config();
    printf("中断式串口控制RGB灯\r\n");
    printf("发送'1'或0x01亮红灯 | '2'或0x02亮绿灯 | '3'或0x03亮蓝灯\r\n");
    
    while(1)
    {
        if(g_rx_flag == 1) // 检测到新数据
        {
            g_rx_flag = 0; // 清除标志
            
            // 支持ASCII和16进制命令
            if(g_rx_data == '1' || g_rx_data == 0x01) LED_RED;
            else if(g_rx_data == '2' || g_rx_data == 0x02) LED_GREEN;
            else if(g_rx_data == '3' || g_rx_data == 0x03) LED_BLUE;
            else LED_RGBOFF;
            
            printf("执行命令：0x%02X\r\n", g_rx_data);
        }
        // 主循环可执行其他任务（比如灯闪烁），不被串口接收阻塞
    }
}

五、新手必避的 7 个坑（注意事项）

中断标志未检查：中断服务函数直接读数据，可能处理非 RXNE 中断（如错误中断），导致数据错误。
混淆 ASCII 与 16 进制：串口助手发"1"是 ASCII=0x31，不是数字 1；勾选"16 进制发送"时，发"01"才是 0x01。
发送未等完成 ：连续发送数据时，未等待 TXE标志置 1 就发下一个，会覆盖未发送的数据。
优先级分组重复设置 ：整个工程只能调用 1 次 NVIC_PriorityGroupConfig，多次设置会导致所有中断优先级混乱。
中断与查询混用：既开中断又在主循环查询，数据会被中断先读走，主循环拿不到数据。
缺少 volatile 关键字 ：全局变量未加 volatile，编译器可能优化掉变量读取，导致主循环看不到中断修改的值。
错误中断未处理：未使能错误中断，发生溢出、帧错误时无法及时发现，导致后续数据全部错误。

六、扩展练习

实现多字节命令解析：比如接收"RED ON"亮红灯、"RED OFF"灭红灯。
用环形缓冲区（数组）实现批量数据接收，解决连续发送多字节时的数据丢失问题。
给串口中断加错误处理：使能 ORE、FE、PE 错误中断，在中断服务函数中清除错误标志并打印错误信息。
实现 printf 重定向：重写 fputc函数，支持 printf串口输出（已隐含在代码中，可自行实现）。

参考资料

《零死角玩转 STM32F103-指南者》第 26 章及 USART 相关章节
STM32F103xCDE 官方数据手册（USART 章节，第 5.3.16 节）

STM32F103 学习笔记-21-串口通信(第6节)-串口发送命令控制RGB灯

一、串口中断到底是什么？（What）

核心概念通俗解

二、串口中断接收的核心硬件逻辑（Why）

核心寄存器完整说明（基于 STM32F103xCDE 数据手册）

三、从 0 到 1 配置串口中断（How）

步骤 0：为什么选择在 stm32f10x_it.c文件中添加串口中断服务函数

步骤 1：宏定义与头文件（bsp_usart.h）

步骤 2：配置 NVIC（中断优先级）

步骤 3：初始化 GPIO 与 USART

步骤 4：编写中断服务函数

四、实战：串口命令控制 RGB 灯

方式 1：查询式接收（简单但低效）

方式 2：中断式接收（高效）

五、新手必避的 7 个坑（注意事项）

六、扩展练习

参考资料

步骤 0：为什么选择在 `stm32f10x_it.c`文件中添加串口中断服务函数