串口调试 — printf 重定向与 USART 通信

串口调试 --- printf 重定向与 USART 通信

配套硬件 ：DshanMCU-F407（STM32F407ZGT6）+ USB-TTL（HW-597）模块

学习目标 ：学会用 printf 打印变量，这是嵌入式开发最重要的调试手段

核心思想：不用 LED 闪烁猜问题，直接看数据

---

目录

1. 为什么要学串口调试？
2. [什么是 USART/UART？](#什么是 USART/UART？)
3. [引脚选择------为什么是 PB10 和 PC11？](#引脚选择——为什么是 PB10 和 PC11？)
4. [USART 配置参数详解（115200 8N1）](#USART 配置参数详解（115200 8N1）)
5. 硬件接线
6. [CubeMX 配置](#CubeMX 配置)
7. 代码解读
8. [fputc 重定向详解（核心难点）](#fputc 重定向详解（核心难点）)
9. [用 printf 调试------这才是重点！](#用 printf 调试——这才是重点！)
10. 串口助手的设置
11. 常见问题
12. 扩展思考

---

1. 为什么要学串口调试？

1.1 没有串口之前你是怎么 debug 的？

方式 1：LED 闪烁
  - 亮灭亮灭 → 程序活着
  - 一直亮 → 卡死了
  - 一闪而过 → 看不清

方式 2：猜
  - 你觉得是这里错了，改一改，烧进去试试
  - 不行再猜
  - 效率极低

1.2 有了串口 printf 之后

printf("距离 = %d cm\r\n", distance);      // 直接看距离值
printf("中断触发了，count = %d\r\n", count); // 看中断次数
printf("进入函数 A：param = %d\r\n", param); // 看函数是否执行了

你"看见"了变量内部的值，不用猜。

1.3 06-4 课程为什么讲 OLED 调试

06-4 的题眼是"调试手段 "------LED 能给你的信息只有 1 位（亮/灭），OLED/printf 能给你成千上万字符的信息。你学会的是一种"把变量值说出来"的方法，不管用 OLED 还是串口，本质一样。

---

2. 什么是 USART/UART？

2.1 名字拆解

UART = Universal Asynchronous Receiver / Transmitter
       （通用异步收发器）

USART = Universal Synchronous / Asynchronous Receiver / Transmitter
        （通用同步/异步收发器）

USART 比 UART 多一个同步功能（有时钟线），但大多数时候我们把它当 UART 用------异步，两根线（TX/RX）。

2.2 UART 通信物理层

F407（USART3）                USB-TTL 模块        电脑
  PB10 (TX) ─────────── RXD ───→ 串口芯片 → USB → 串口助手
  PC11 (RX) ──────────── TXD ←──串口芯片 ← USB ← 串口助手
  GND     ────────────── GND     共地，统一参考电平

TX 接 RX、RX 接 TX（交叉连接），GND 一定要共地。

2.3 UART 一帧数据的结构

 空闲（高电平）
       │
       ▼
┌─────────┬───────────────┬───┬────────┐
│ 起始位  │   8 位数据    │校 │ 停止位  │
│ （低）  │  LSB→MSB      │验 │ （高）  │
└─────────┴───────────────┴───┴────────┘
    1 bit      8 bit      无    1 bit

从前面看：

              BIT0 BIT1 BIT2 ... BIT7
              ┌──┐  ┌┐  ┌┐      ┌┐
TX ────高─────┘  └──┘└──┘└──────┘└────── 高 ─────
              起始           停止

关键：没有时钟线，靠收发双方约定好"每秒传多少位"（波特率）。

---

3. 引脚选择------为什么是 PB10 和 PC11？

3.1 STM32 的 Alternate Function 表

F407 的 USART 不止一组，外设模块可以通过不同的 GPIO 引脚连接到芯片内部。具体哪个引脚可以当哪个外设用，看芯片手册的 Alternate Function 表：

USART3_TX 有 3 个可选引脚：
  PB10 ─── AF7（Alternate Function 7）
  PC10 ─── AF7
  PD8  ─── AF7

USART3_RX 有 3 个可选引脚：
  PB11 ─── AF7
  PC11 ─── AF7
  PD9  ─── AF7

3.2 为什么最终选了 PB10 和 PC11？

查 P3 排针引出的空闲引脚：

候选	P3 排针上有没有？	结论
PB10	有	✅ 做 TX
PB11	N/A	❌ 排针上没有
PC10	N/A	❌ 排针上没有
PC11	有	✅ 做 RX
PD8/PD9	N/A	❌ 排针上没有

不是"随便选的"，是从 Alternate Function 表找到可用引脚 → 再和排针对比 → 选出都能用的组合。这是硬件工程师的基本功，也是你在 CubeMX 配引脚时经常要做的事。

⭐⭐ SHOULD KNOW：CubeMX 可以直接帮你看------当你选择 USART3 时，它会自动高亮所有可用的 TX/RX 引脚（绿色标出可选，橙色标出已选）。

---

4. USART 配置参数详解（115200 8N1）

4.1 Baud Rate（波特率）

波特率 = 每秒钟传输的"符号数"，单位 bps（bit per second）

115200 bps → 每秒传 115200 位

115200 是怎么来的？

115200 = 115.2 Kbps ≈ 11.52 KB/s（有效数据）
         ↓
假设你传 1000 字节的数据：
用时 ≈ 1000 / 11520 ≈ 0.087 秒

为什么用 115200 而不是其他值？

波特率	优点	缺点
9600	兼容老设备	太慢，传 1KB 要 1 秒
115200	速度适中，大部分设备支持	---
921600	极快	线长了容易乱码

115200 是嵌入式开发最常用的波特率，能兼顾速度和稳定性。

⚠️ 重要：收发双方的波特率必须一致。你设 115200，电脑串口助手也要设 115200。否则收到的数据是乱码。

4.2 Word Length（数据位）

8 bit → 每帧传输 8 位，刚好 1 个字节
这是最常用的设置，因为你要传的数据都是以字节为单位的

4.3 Parity（校验位）

None（无校验）：
  不添加校验位，10 位 = 起始 1 + 数据 8 + 停止 1

Even（偶校验）：
  校验位自动调整，使数据中 1 的个数为偶数
  11 位 = 起始 1 + 数据 8 + 校验 1 + 停止 1

Odd（奇校验）：
  同上，但使 1 的个数为奇数

为什么 None？ 如果你只是调试用，不需要校验。校验位多一位，有效传输率降低。串口线短（<2 米），出错概率极低。

4.4 Stop Bits（停止位）

1 bit → 停止位 1 位
停止位告诉接收方"这一帧结束了"

8N1 的完整含义：

8 = 8 data bits（数据位 8 位）
N = No Parity（无校验）
1 = 1 stop bit（停止位 1 位）

总共：1（起始）+ 8（数据）+ 0（校验）+ 1（停止）= 10 位每字符

4.5 面试会问的问题

问：波特率 115200，8N1，每秒实际传多少字节？

答 ：每字节需要 10 位（1 起始 + 8 数据 + 1 停止）。每秒传 115200 / 10 = 11520 字节。

---

5. 硬件接线

5.1 接线表

USB-TTL（HW-597）	F407	说明
TXD	PC11 (USART3_RX)	发→收，交叉
RXD	PB10 (USART3_TX)	收→发，交叉
GND	GND	共地，必须接
5V 或 3V3	不接	USB-TTL 由 USB 供电，F407 由自己的电源供电

注意：TX 接 RX，RX 接 TX，不要接反。

5.2 USB-TTL 电脑端

USB-TTL 插入电脑 → 查看设备管理器（Windows）-> 端口（COM 和 LPT）→ 看出现哪个 COM 口（如 COM3、COM4）。

这个 COM 口号后面打开串口助手时要选。

---

6. CubeMX 配置

6.1 新建工程

1. 打开 STM32CubeMX → New Project
2. 搜索 STM32F407ZGTx → 双击选中

6.2 引脚配置

引脚	设置	说明
PB10	USART3_TX	发送数据给电脑
PC11	USART3_RX	接收电脑发来的数据（本次实验不涉及）

6.3 USART3 参数配置

左边 Connectivity → USART3 → Parameter Settings：

参数	设置值	说明
Mode	Asynchronous	异步模式（只有 TX/RX，无时钟）
Baud Rate	115200	每秒传 115200 位
Word Length	8 Bit	每帧传 8 位
Parity	None	无校验
Stop Bits	1	停止位 1 位

6.4 NVIC 配置

左边菜单 → NVIC → 找到 USART3 global interrupt → 打勾（本次实验用查询方式，不勾也能工作，但建议勾上习惯就好）

6.5 时钟配置

Clock Configuration → HCLK = 168 MHz。

时钟树里 USART3 挂载在 APB1 上（42MHz），CubeMX 会自动计算分频因子使波特率误差最小。

6.6 生成工程

Project Manager：

• Project Name：uart_debug
• Toolchain/IDE：MDK-ARM
• 点击 GENERATE CODE

---

7. 代码解读

7.1 完整代码

/* USER CODE BEGIN Includes */
#include <stdio.h>      // printf、sprintf 等函数的声明
/* USER CODE END Includes */

int main(void)
{
    HAL_Init();
    SystemClock_Config();
    MX_GPIO_Init();
    MX_USART3_UART_Init();

    /* USER CODE BEGIN 2 */
    int count = 0;      // 定义一个计数器
    /* USER CODE END 2 */

    while (1)
    {
        count++;        // 每次循环加 1

        // 打印字符串
        printf("Hello from STM32F407!\r\n");

        // 打印变量的值
        printf("count = %d\r\n", count);

        HAL_Delay(1000);  // 每秒打印一次
    }
}

7.2 printf 格式化输出速查表

int val = 42;
float pi = 3.14159f;

printf("%d\r\n", val);          // %d = 十进制整数 → "42"
printf("%x\r\n", val);          // %x = 十六进制 → "2a"
printf("%u\r\n", val);          // %u = 无符号十进制 → "42"
printf("%.2f\r\n", pi);         // %.2f = 小数后2位 → "3.14"
printf("val = %d, pi = %.2f\r\n", val, pi);  // 多个变量

// 字符串
char name[] = "STM32";
printf("chip: %s\r\n", name);   // %s = 字符串 → "chip: STM32"

注意 ：打印 float 类型需要开启 MicroLIB，或换用 sprintf 加整数转换。

7.3 \r\n 是什么？

\r = 回车（CR）→ 光标回到行首
\n = 换行（LF）→ 光标移到下一行

\r\n 合起来 = 回车换行 → 新的一行从头开始

不同串口助手的处理不同：

• 只写 \n：有的助手不换行
• 只写 \r：光标到行首但不换行，覆盖之前的内容
• \r\n：最保险的写法

---

8. fputc 重定向详解（核心难点）

8.1 为什么需要重定向？

printf 本身不知道"往哪发"

printf 是 C 语言标准库函数，它只负责把数据格式化成一个字符串（比如把 count=42 变成 "count = 42\r\n"）。但它不关心这个字符串最终去哪------屏幕？文件？串口？

fputc 是 printf 的"底层出口"

每次 printf 调用，内部都会多次调 fputc（一次发一个字符）：

printf("Hello\r\n");
    ↓ 内部等价于
fputc('H', stdout);  // stdout = 标准输出
fputc('e', stdout);
fputc('l', stdout);
fputc('l', stdout);
fputc('o', stdout);
fputc('\r', stdout);
fputc('\n', stdout);

8.2 重定向代码做了什么

int fputc(int ch, FILE *f)        // 这行是 C 库规定的格式，不能改
{
    HAL_UART_Transmit(&huart3,    // 通过 USART3 发出去
                      (uint8_t *)&ch,  // 要发的字符（转成字节指针）
                      1,               // 发 1 个字节
                      1000);           // 超时时间 1000ms
    return ch;                     // 返回发出去的字符
}

代码解读：

• int ch：要发送的字符（虽然是 int 类型，但只存储了一个字符）
• FILE *f：流指针，C 库的格式要求，我们不用管它
• (uint8_t *)&ch：把 ch 的地址转成 uint8_t 指针，因为 HAL_UART_Transmit 要求接收 uint8_t* 类型
• return ch：返回发送的字符，表示发送成功

所以整体流程是：

printf("count = %d\r\n", count);
    ↓
C 库格式化 → 得到字符串 "count = 42\r\n"
    ↓
逐个字符调 fputc → fputc('c', stdout)、fputc('o', stdout)...
    ↓
fputc 内部调用 HAL_UART_Transmit → 通过 USART3 发出去
    ↓
USB-TTL 模块收到 → 通过 USB 传给电脑
    ↓
串口助手显示："count = 42"

8.3 什么是 FILE *f？

FILE 是 C 标准库中用来表示"流（stream）"的类型。常见的流：

stdin  → 标准输入（键盘）
stdout → 标准输出（屏幕/串口）
stderr → 标准错误（屏幕）

在嵌入式系统中，我们重定向 fputc，让 stdout 从"显示器"改成"USART3 串口"。所以 FILE *f 参数直接忽略。

8.4 什么是 MicroLIB？

为什么需要 MicroLIB？

Keil 默认带的 C 库（ARM C Library）功能很全------支持文件系统、异常处理、区域语言等。但这也意味着：

1. 占用的 Flash 空间大
2. printf 重定向配置非常复杂（要设置 syscall.c 等）

MicroLIB 是 ARM 提供的一个精简版 C 运行库：

• 体积小（几十 KB）
• printf 重定向直接写 fputc 就行，不需要额外配置
• 支持绝大部分常用功能（printf、sprintf、strlen 等）

副作用：

• 不支持浮点 printf（%f）------但可以用 sprintf 加整数转换绕过
• 不能同时使用标准的文件操作（fopen/fread 等）

开启方法 ：Keil → Options for Target → Target → 勾选 Use MicroLIB

---

9. 用 printf 调试------这才是重点！

这一节演示调试（debug）的核心：看变量内部的值

9.1 第一个真实调试场景：看中断触发了多少次

结合之前的 PIR 实验，不需要实际接 PIR 硬件就能演示原理。用 while 里的软件自增变量来模拟。

在 /* USER CODE BEGIN 2 */（MX 初始化完成后）添加：

/* USER CODE BEGIN 2 */
int count = 0;
/* USER CODE END 2 */

在 while(1) 循环里：

  /* USER CODE BEGIN WHILE */
  while (1)
  {
    /* USER CODE END WHILE */

    /* USER CODE BEGIN 3 */
    count++;

    // 每次都打印
    printf("程序运行了 %d 次循环\r\n", count);

    // 每 100 次打印一次（减少刷屏）
    if (count % 100 == 0)
    {
        printf("================== 已经跑了 %d 次 ==================\r\n", count);
    }

    HAL_Delay(10);  // 10ms 一次
  }

9.2 第二个真实调试场景：看传感器的 ADC 值

// 假设你用 ADC 读取了光敏模块的值
uint32_t adc_value = HAL_ADC_GetValue(&hadc1);

// 调试打印
printf("ADC value = %d (0~4095)\r\n", adc_value);

// 也可以打印十六进制
printf("ADC hex = 0x%04X\r\n", adc_value);

// 根据值做简单判断
if (adc_value < 500)
{
    printf("▶ 光线很暗！\r\n");
}
else if (adc_value < 2000)
{
    printf("▶ 光线一般\r\n");
}
else
{
    printf("▶ 光线充足\r\n");
}

9.3 第三个场景：跟踪函数的执行路径

void my_function(int param)
{
    printf("[DEBUG] 进入 my_function, param = %d\r\n", param);

    if (param > 100)
    {
        printf("[DEBUG] 分支 A 执行\r\n");
        // 分支 A 的代码
    }
    else
    {
        printf("[DEBUG] 分支 B 执行\r\n");
        // 分支 B 的代码
    }

    printf("[DEBUG] 离开 my_function\r\n");
}

在串口助手上你会看到：

[DEBUG] 进入 my_function, param = 50
[DEBUG] 分支 B 执行
[DEBUG] 离开 my_function

这就是 debug------你知道程序走了哪条路、参数是什么，不用靠猜。

9.4 调试系统时间

// 打印系统运行时间
printf("系统运行了 %lu ms\r\n", HAL_GetTick());

// 测量函数执行时间
uint32_t start = HAL_GetTick();
my_function();
uint32_t end = HAL_GetTick();
printf("my_function 耗时 %lu ms\r\n", end - start);

---

10. 串口助手的设置

10.1 常用串口助手

Windows 推荐：

• SSCOM（友善串口助手）------ 小巧，够用
• MobaXterm ------ 可以切换十六进制显示

10.2 设置步骤

① USB-TTL 插入电脑
② 设备管理器 → 查看 COM 口号（如 COM3）
③ 打开串口助手
    ├── 端口号：COM3（和你设备管理器一致）
    ├── 波特率：115200
    ├── 数据位：8
    ├── 校验位：None
    ├── 停止位：1
    └── 打开串口

如果选错 COM 口 ：会提示"端口被占用"或"端口不存在"

如果波特率不对：收到乱码

10.3 两个常见操作

DTR 和 RTS：
  大部分串口助手的 DTR 默认勾选，会导致 STM32 复位
  如果 STM32 反复重启 → 取消勾选 DTR

HEX 显示 vs 文本显示：
  想看数值 → 文本显示（能看到 "count = 42"）
  想看原始字节 → HEX 显示（能看到 0x63 0x6F 0x75...）

---

11. 常见问题

问题 ①：什么也收不到

排查步骤：
  ① TX → RX 接反了？（检查接线）
  ② GND 接了吗？（必须共地）
  ③ 串口助手 COM 口选对了吗？（设备管理器确认）
  ④ 串口助手波特率设对了吗？（必须 115200）
  ⑤ 代码里勾选 MicroLIB 了吗？
  ⑥ fputc 写对了吗？（注意函数名是 fputc 不是 fputs）

问题 ②：收到乱码

原因 1：波特率不匹配
  确认 STM32 设 115200，串口助手也设 115200

原因 2：时钟配置不对
   CubeMX 时钟树配错 → USART 波特率计算不准
   → HCLK 必须 = 168 MHz

原因 3：USB-TTL 模块坏了
  换一个模块试试

问题 ③：程序烧录后没反应

检查 Keil 的 Debug 设置：
  ① Options for Target → Debug → 选 ST-Link
  ② Utilities → 选 ST-Link
  ③ 点击 Settings → Flash Download → 勾选 Reset and Run
  （烧录后自动复位运行，不用按复位键）

问题 ④：为什么一定要用 MicroLIB？

不用 MicroLIB：
  你必须实现 _sys_open、_sys_write、_sys_close 等多个底层函数
  printf 才能工作
  非常麻烦

用 MicroLIB：
  只实现一个 fputc 就够
  轻量、简单

---

12. 扩展思考

12.1 如何从电脑发数据给 F407？

// 在中断回调里接收
void HAL_UART_RxCpltCallback(UART_HandleTypeDef *huart)
{
    if (huart->Instance == USART3)
    {
        // rx_byte 就是电脑发来的数据
        printf("收到: 0x%02X (%c)\r\n", rx_byte, rx_byte);
    }
}

12.2 多个 printf 重定向？

如果要同时用 USART1 和 USART3 打印：

// 重定向到 USART3
int fputc(int ch, FILE *f)
{
    HAL_UART_Transmit(&huart3, (uint8_t *)&ch, 1, 1000);
    return ch;
}

// 自定义函数，用 USART1 发
void debug_printf_USART1(const char *fmt, ...)
{
    char buf[256];
    va_list args;
    va_start(args, fmt);
    vsnprintf(buf, sizeof(buf), fmt, args);
    va_end(args);
    HAL_UART_Transmit(&huart1, (uint8_t *)buf, strlen(buf), 1000);
}

12.3 sprintf + LCD 显示

char display_buf[32];
sprintf(display_buf, "距离: %d cm", distance);
// 把这个字符串显示到 LCD 上（等你的 LCD 有了文字显示功能后）

---

编写日期 ：2026年5月25日

适用硬件 ：DshanMCU-F407（STM32F407ZGT6）+ USB-TTL（HW-597）模块

配套视频 ：07-3-1 UART 串口编程查询方式

前置知识 ：已掌握 GPIO 输出/输入、定时器

关键概念：fputc 重定向、MicroLIB、波特率、8N1 帧格式