STM32H7 串口 UART/USART从原理到实战

1. UART 基础原理

UART（Universal Asynchronous Receiver/Transmitter，通用异步收发器）是嵌入式开发中最常用的通信接口之一。 它采用异步串行方式传输数据，无需额外时钟线，仅需 TX（发送）、RX（接收）两根信号线，加上共地即可实现全双工通信。

图1：UART 数据帧格式（1个起始位 + 8位数据 + 可选校验位 + 1/2个停止位）

波特率决定每秒传输的符号数，常用值为 9600、115200、921600 等。 通信双方必须预先约定相同的波特率、数据位、校验位、停止位（即"串口参数"）。

参数	常用值	说明
波特率	9600 / 115200 / 921600	每秒传输比特数
数据位	7 / 8 / 9 bit	最常用 8 bit
校验位	None / Even / Odd	None 最常用，对可靠性有要求时选 Even
停止位	0.5 / 1 / 1.5 / 2	一般选 1，多机通信有时用 2

**UART vs USART：**USART（Universal Synchronous/Asynchronous）在 UART 基础上增加了同步模式（CK 时钟线）， 但平时用的都是异步（UART）模式。

2.HAL 库初始化

使用 HAL 库初始化 USART5（115200, 8N1），核心是配置 UART_HandleTypeDef 结构体。 以下代码以 USART5 为例。

void UART5_Init(void)
{

  /* USER CODE BEGIN UART5_Init 0 */

  /* USER CODE END UART5_Init 0 */

  /* USER CODE BEGIN UART5_Init 1 */

  /* USER CODE END UART5_Init 1 */
  huart5.Instance = UART5;
  huart5.Init.BaudRate = 115200;
  huart5.Init.WordLength = UART_WORDLENGTH_8B;
  huart5.Init.StopBits = UART_STOPBITS_1;
  huart5.Init.Parity = UART_PARITY_NONE;
  huart5.Init.Mode = UART_MODE_TX_RX;
  huart5.Init.HwFlowCtl = UART_HWCONTROL_NONE;
  huart5.Init.OverSampling = UART_OVERSAMPLING_16;
  huart5.Init.OneBitSampling = UART_ONE_BIT_SAMPLE_DISABLE;
  huart5.Init.ClockPrescaler = UART_PRESCALER_DIV1;
  huart5.AdvancedInit.AdvFeatureInit = UART_ADVFEATURE_NO_INIT;
  if (HAL_UART_Init(&huart5) != HAL_OK)
  {
    Error_Handler();
  }
  if (HAL_UARTEx_SetTxFifoThreshold(&huart5, UART_TXFIFO_THRESHOLD_1_8) != HAL_OK)
  {
    Error_Handler();
  }
  if (HAL_UARTEx_SetRxFifoThreshold(&huart5, UART_RXFIFO_THRESHOLD_1_8) != HAL_OK)
  {
    Error_Handler();
  }
  if (HAL_UARTEx_DisableFifoMode(&huart5) != HAL_OK)
  {
    Error_Handler();
  }
  /* USER CODE BEGIN UART5_Init 2 */

  /* USER CODE END UART5_Init 2 */

}

关键参数解析

参数	可选值	说明
WordLength	8B 9B	8位模式需 Parity=None；9位模式可配合 Even/Odd 校验（实际数据仍8位+1位校验）
OverSampling	16x 8x	16x 精度更高；8x 可支持更高波特率（可达 pclk/8）
HwFlowCtl	NONE RTS CTS RTS_CTS	启用 RTS/CTS 需额外连接两根信号线

HAL_UARTEx_DisableFifoMode(&huart5)可以使用HAL_UARTEx_EnableFifoMode开启FIFO模式。

HAL_UARTEx_SetTxFifoThreshold和HAL_UARTEx_SetRxFifoThreshold可以设置FIFO 的触发阈值‌。如果使用中断模式接收数据可以减少中断触发的次数。

3.轮询收发

轮询模式最简单：调用 HAL_UART_Transmit / HAL_UART_Receive， 函数会阻塞等待直到收发完成或超时。这种模式不常用，一般只调试阶段使用。

uint8_t tx_buf[] = "Hello STM32H7!\r\n";
uint8_t rx_buf[64];

/* ===== 发送 ===== */
// 参数：串口句柄 / 数据指针 / 数据长度 / 超时(ms)
HAL_UART_Transmit(&huart1, tx_buf, sizeof(tx_buf) - 1, HAL_MAX_DELAY);

/* ===== 接收 ===== */
// 阻塞等待接收到 10 字节或超时 1000ms
HAL_StatusTypeDef status = HAL_UART_Receive(&huart1, rx_buf, 10, 1000);
if (status == HAL_OK) {
    // 接收成功，处理 rx_buf
} else if (status == HAL_TIMEOUT) {
    // 超时，未收齐数据
} else {
    // 其他错误
}

4. 中断模式收发

中断模式下，UART 收发由硬件中断驱动：TXE（发送寄存器空） 触发发送中断， **RXNE（接收寄存器非空）**触发接收中断。CPU 只在需要时介入，不再阻塞等待。

4.1 开启中断接收

#include "stm32h7xx_hal.h"

extern UART_HandleTypeDef huart1;

#define RX_BUF_SIZE  256
static uint8_t rx_data;
static uint8_t rx_buffer[RX_BUF_SIZE];
static volatile uint16_t rx_len = 0;

/* ── 启动中断接收（接收1字节，完成后在中断中重新启动）── */
void UART_Start_IT_Receive(void)
{
    HAL_UART_Receive_IT(&huart1, &rx_data, 1);
}

/* ── HAL 接收完成回调（弱函数覆盖）── */
void HAL_UART_RxCpltCallback(UART_HandleTypeDef *huart)
{
    if (huart->Instance == USART1) {
        if (rx_len < RX_BUF_SIZE) {
            rx_buffer[rx_len++] = rx_data;    // 存入缓冲区
        }
        // 重新启动接收，实现连续接收
        HAL_UART_Receive_IT(&huart1, &rx_data, 1);
    }
}

4.2 中断发送 --- HAL_UART_Transmit_IT()

HAL 库提供了专用的中断发送函数 HAL_UART_Transmit_IT()， 其内部自动管理 TXE 中断使能/禁用、逐字节写入 TDR、以及 TC（发送完成）回调， 无需手动操作寄存器。调用后函数立即返回，发送在后台中断中完成。

#include "stm32h7xx_hal.h"

extern UART_HandleTypeDef huart1;

static uint8_t tx_buf[] = "Hello from IT!\r\n";
static volatile uint8_t tx_busy = 0;  // 发送忙标志

/* ── 启动中断发送 ── */
void UART_IT_Send(uint8_t *data, uint16_t len)
{
    if (tx_busy) return;       // 上一次发送未完成，拒绝新请求
    tx_busy = 1;
    HAL_UART_Transmit_IT(&huart1, data, len);  // 非阻塞，立即返回
}

/* ── HAL 发送完成回调（弱函数覆盖）── */
void HAL_UART_TxCpltCallback(UART_HandleTypeDef *huart)
{
    if (huart->Instance == USART1) {
        tx_busy = 0;   // 发送完成，允许下一次发送
    }
}

/* ── 使用示例 ── */
void Some_Function(void)
{
    uint8_t msg[] = "CMD:START\r\n";
    UART_IT_Send(msg, sizeof(msg) - 1);
    // 函数立即返回，CPU 继续执行其他任务
    // 发送完成后自动进入 HAL_UART_TxCpltCallback
}

5. DMA 高速传输

DMA（Direct Memory Access）让数据在内存与 USART 外设之间直接搬运，全程无需 CPU 介入 。 在高波特率下，DMA 是唯一能保证不丢数据的方案。STM32H7 的 DMA 支持循环模式 （Circular） 和普通模式（Normal）。

5.1 DMA 接收代码

#include "stm32h7xx_hal.h"

extern UART_HandleTypeDef huart1;

#define DMA_RX_LEN  256
static uint8_t dma_rx_buf[DMA_RX_LEN];

/* ── 启动 DMA 循环接收 ── */
void UART_DMA_Start_Receive(void)
{
    HAL_UART_Receive_DMA(&huart1, dma_rx_buf, DMA_RX_LEN);
}

/* ── DMA 接收完成回调（循环模式下缓冲区满时触发）── */
void HAL_UART_RxCpltCallback(UART_HandleTypeDef *huart)
{
    if (huart->Instance == USART1) {
        // 循环模式下，DMA 自动从头继续接收
        // 此处处理 dma_rx_buf 中后半段数据
        Process_Rx_Data(dma_rx_buf + DMA_RX_LEN/2, DMA_RX_LEN/2);
    }
}

/* ── DMA 半接收回调（收到一半时触发）── */
void HAL_UART_RxHalfCpltCallback(UART_HandleTypeDef *huart)
{
    if (huart->Instance == USART1) {
        // 处理前半段数据
        Process_Rx_Data(dma_rx_buf, DMA_RX_LEN/2);
    }
}

/* ── DMA 发送 ── */
void UART_DMA_Send(uint8_t *data, uint16_t len)
{
    HAL_UART_Transmit_DMA(&huart1, data, len);
}

void HAL_UART_TxCpltCallback(UART_HandleTypeDef *huart)
{
    if (huart->Instance == USART1) {
        // 发送完成，可启动下一次发送
    }
}

H7 的 DMA 缓存一致性问题： STM32H7 有 D-Cache，DMA 读取的内存区域可能和 Cache 不一致。 解决方案：① 将 DMA 缓冲区放在 DTCM（0x20000000 起，默认不经过 Cache）；② 使用 SCB_InvalidateDCache_by_Addr() 手动失效 Cache；③ 在 MPU 中将该区域配置为 Non-Cacheable。

6.空闲中断 + DMA 实战

这是实际工程中最常用、最推荐 的串口接收方案。核心思路： DMA 循环接收持续搬运数据到缓冲区，同时开启 IDLE（空闲线检测）中断 ------ 当总线空闲一个字节时间后，硬件自动触发中断，此时通过 DMA 传输计数器算出已接收的数据长度。 这样无需预先知道数据长度，也不怕数据被截断。

#include "stm32h7xx_hal.h"
#include <string.h>

extern UART_HandleTypeDef huart1;

/* ─── 配置区 ─── */
#define RX_BUF_SIZE   512

static uint8_t  rx_buf[RX_BUF_SIZE];       // DMA 接收缓冲区
static volatile uint16_t rx_len = 0;        // 已接收数据长度
static volatile uint8_t  rx_flag = 0;        // 接收完成标志

/* ─── 初始化：启动 DMA + IDLE 中断 ─── */
void UART_IDLE_DMA_Init(void)
{
    // 1. 启动 DMA 循环接收
    HAL_UARTEx_ReceiveToIdle_DMA(&huart1, rx_buf, RX_BUF_SIZE);
}

void HAL_UARTEx_RxEventCallback(UART_HandleTypeDef *huart, uint16_t Size)
{
    if(huart == &huart8)
    {
        rx_len  = Size;
        rx_flag = 1; 

       HAL_UARTEx_ReceiveToIdle_DMA(&huart1, rx_buf, RX_BUF_SIZE);//继续接收数据

		__HAL_DMA_DISABLE_IT(huart->hdmarx, DMA_IT_HT);//屏蔽半传输完成中断
    }
}

上面是屏蔽了半完成中断的，下面可以根据接收类型来判断是半完成还是完成。

void HAL_UARTEx_RxEventCallback(UART_HandleTypeDef *huart, uint16_t Size)
{
    if (huart->RxEventType == HAL_UART_RXEVENT_HT)
    {
        // 半完成
    }
    else if (huart->RxEventType == HAL_UART_RXEVENT_TC)
    {
        // 完成
    }
}

7.printf 重定向

在嵌入式开发中，printf() 是最方便的调试手段。只需重写 fputc() 或 _write()，将标准输出重定向到 USART，即可在串口助手中看到打印信息。

7.1 MicroLib 方式

在 Keil MDK 中勾选 "Use MicroLib" 后，只需重写 fputc()：

#include "stdio.h"
#include "stm32h7xx_hal.h"

extern UART_HandleTypeDef huart1;

/* 重写 fputc，将字符通过 USART1 发送 */
int fputc(int ch, FILE *f)
{
    HAL_UART_Transmit(&huart1, (uint8_t *)&ch, 1, HAL_MAX_DELAY);
    return ch;
}

7.2 GCC / 标准库方式

使用 GCC 工具链（STM32CubeIDE 等）时，需重写 _write()：

#include "stm32h7xx_hal.h"
#include <unistd.h>

extern UART_HandleTypeDef huart1;

int _write(int fd, char *ptr, int len)
{
    HAL_UART_Transmit(&huart1, (uint8_t *)ptr, len, HAL_MAX_DELAY);
    return len;
}