11.USART

USART串口协议

一.通信接口

PPT顶部用两句话概括了通信的本质：

1. 通信的目的："将一个设备的数据传送到另一个设备，扩展硬件系统。"

   • 解析：单片机（MCU）自身的资源是有限的（比如内存、计算能力）。通过通信接口，我们可以把数据传给传感器（获取外界信息）、屏幕（显示信息）、另一个单片机（协同计算）或者电脑（调试和记录）。这就是"扩展硬件系统"。

2. 通信协议："制定通信的规则，通信双方按照协议规则进行数据收发。"

   • 解析 ：两个设备之间连线通电了，不能随便乱发高低电平，否则对方根本听不懂。必须有统一的"语言规则"，包括：用几伏电压代表1、什么时候开始发、一次发几位、发多快等等。这套规则就是通信协议。

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第二部分：表格表头维度说明（评价标准）

在横向对比之前，我们需要先搞懂表头里这6个词到底是什么意思：

• 名称：通信协议的名字（USART、I2C、SPI、CAN、USB）。

• 引脚：物理连接需要接哪几根线。

• 双工：

  • 全双工：可以同时发送和接收数据（比如打电话，TX发送的同时RX也能接收）。

  • 半双工：发送和接收不能同时进行，必须轮流交替（比如对讲机，发送时不能接收，接收时不能发送）。

• 时钟：

  • 同步：有一根专门传输时钟信号（节拍器）的线，接收方跟随节拍工作，无需担心速度不匹配的问题。

  • 异步：没有时钟线。双方必须提前约定好传输速度（波特率），依靠数据帧中的起始位和停止位来对齐。

• 电平：

  • 单端：信号线只有一根，电平是相对于"地线（GND）"来测量的（比如3.3V代表1，0V代表0）。容易受到干扰。

  • 差分 ：使用两根线（一正一反），依靠两根线的电压差来表示1和0。抗干扰能力极强，适合远距离传输。

• 设备：总线上能挂载多少个设备（点对点就是只能1对1；多设备就是可以挂载很多个）。

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第三部分：表格逐行精讲（五大通信接口）

现在，我们按照表格从上到下，逐一拆解这五种协议：

1. USART（最常用的基础串口）

• 引脚（TX、RX）：TX负责发，RX负责收。

• 双工（全双工）：因为TX和RX独立，所以可以同时收发。

• 时钟（异步）：没有时钟线。这就是为什么你在配置串口时，双方必须都配置成一样的"波特率（如9600、115200）"，否则收到的就是乱码。

• 电平（单端） ：通常就是我们说的TTL电平（0V和3.3V/5V）。因为单端抗干扰差，所以串口一般只用于板级通信或短距离调试。

• 设备（点对点）：通常是一个单片机连一个电脑，或者一个单片机连一个模块，不能把好几个设备的TX直接拧在一起。

2. I2C（集成电路总线）

• 引脚（SCL、SDA）：SCL是时钟线（Serial Clock），SDA是数据线（Serial Data）。只有两根线！

• 双工（半双工）：因为只有一根SDA数据线，同一时刻要么发数据，要么收数据，不能同时。

• 时钟（同步）：有SCL时钟线，所以是同步通信。

• 电平（单端）：也是单端信号。因为单端且线少，I2C通常用于连接板载的慢速外设（如EEPROM、温湿度传感器）。注意：I2C的引脚必须外接上拉电阻（开漏输出）。

• 设备（多设备）：这是I2C的强项。两根线上可以挂几十上百个设备，每个设备有自己的"I2C地址"，主机通过地址来呼叫特定设备。

3. SPI（串行外设接口）

• 引脚（SCLK、MOSI、MISO、CS）：SCLK是时钟；MOSI（Master Out Slave In）是主机发、从机收；MISO（Master In Slave Out）是主机收、从机发；CS（片选）用于选择跟哪个从机说话。

• 双工（全双工）：MOSI和MISO独立，可以同时收发。

• 时钟（同步）：有SCLK时钟线，同步通信。

• 电平（单端）：单端信号，通常用于板载通信。

• 设备（多设备）：通过CS片选线实现多设备。比如你有3个SPI设备，就需要3根CS线，每个设备单独接一根。SPI速度比I2C快很多，常用于Flash、屏幕等高速设备。

4. CAN（控制器局域网）

• 引脚（CAN_H、CAN_L）：两根差分线。

• 双工（半双工）：虽然有两根线，但它们是一对差分信号，同一时刻只能代表一个逻辑状态，收发不能同时进行。

• 时钟（异步）：没有时钟线，靠约定的波特率。

• 电平（差分） ：这是重点！ CAN使用的是差分电平（两根线的电压差）。这让它具备极强的抗电磁干扰能力，能在恶劣的工业环境和汽车内部（几百米甚至几千米）传输数据。

• 设备（多设备）：CAN是一种总线，可以挂载几十个节点（比如汽车里的各种ECU），而且自带优先级仲裁机制（ID小的优先发送）。

5. USB（通用串行总线）

• 引脚（DP、DM）：Data Plus 和 Data Minus，两根差分数据线。

• 双工（半双工）：PPT上将USB标记为半双工（严格来说，USB 2.0是半双工，USB 3.0以上加入了全双工差分对，但基础架构仍是基于轮询的）。

• 时钟（异步）：没有独立的时钟线，时钟信息编码在数据流中（NRZI编码），接收方通过锁相环（PLL）恢复时钟。

• 电平（差分）：差分信号，抗干扰能力强，支持热插拔和长距离（相对板级）传输。

• 设备（点对点）：USB在物理拓扑上是严格的"主机（Host）-设备（Device）"点对点结构。虽然你可以用一个USB HUB扩展出很多接口，但在逻辑链路上，主机永远是轮流和每个设备进行点对点通信。

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总结与学习建议

这张PPT的精髓在于**"对比"**。当你在做项目时，你要选型：

• 要调试打印信息，简单易用 -> USART

• 要接很多个低速传感器，线越少越好 -> I2C

• 要接屏幕/Flash，要求速度极快 -> SPI

• 要汽车/工业级长距离、强抗干扰 -> CAN

• 要接电脑、免驱或者传大文件 -> USB

二.串口通信

）

串口优点与应用场景

1. 串口的四大优点："成本低、容易使用、通信线路简单，可实现两个设备的互相通信"

• 成本低：硬件上不需要复杂的控制器，单片机内部自带串口外设，连线上只需要几根杜邦线，几毛钱就能搞定。

• 容易使用：协议相对简单，不需要像USB那样处理复杂的枚举和驱动，配置好波特率就能发数据。

• 通信线路简单 ：最少只需要三根线------TX（发送）、RX（接收）、GND（地线）。对比一下I2C、SPI，串口可以说是最简单的通信方式了。

• 点对点互相通信：基于全双工的特性，A可以给B发，B也可以给A发。

2. 串口的三大应用场景："单片机与单片机、单片机与电脑、单片机与各式各样的模块"

• 单片机与单片机：比如两块开发板互传数据，板1的TX接板2的RX，板1的RX接板2的TX，交叉连接即可。

• 单片机与电脑 ：这是你未来调试代码最常用的手段！单片机把程序运行的状态、传感器数据通过串口发给电脑上的"串口助手"显示出来，相当于给单片机装了个"显示屏"。

• 单片机与各式各样的模块：这是"极大地扩展了单片机的应用范围"的关键。GPS模块、蓝牙模块、WiFi模块、语音模块、甚至是某些屏幕，很多都是通过串口和单片机通信的。单片机不需要知道模块内部怎么工作，只要通过串口发指令，模块就能干活。

PPT三图模块讲解

1. 左图：USB转TTL模块（最核心的调试工具）

• 外观：一头是USB插头（插电脑），另一头是4个排针（VCC, GND, TX, RX），中间通常有一块黑色的芯片（常见的是CH340、CP2102、FT232）。

• 作用 ：现在的电脑已经没有传统的DB9串口了，只有USB口。单片机的串口是TTL电平（0V/3.3V或5V），电脑的USB协议（差分电平）单片机不懂。这个模块的作用就是**"翻译官"**，把电脑的USB信号转换成单片机能听懂的TTL串口信号。

• 注意：图片上有一个黄色的跳线帽，通常用来选择输出3.3V还是5V。你接单片机时，一定要看单片机的电压，千万别选错，否则可能烧坏单片机。

2. 中图与右图：无线串口模块（透传模块，如蓝牙、WiFi、LoRa）

• 外观：核心是一块很小的电路板，上面有主控芯片、晶振，还有一个天线（中图左侧有明显的蛇形PCB天线，右图看起来像是蓝牙模块如HC-05/06，带引脚和天线）。

• 作用 ：它们大大扩展了单片机的"硬件实力"。这些模块的底层可能是复杂的蓝牙协议、WiFi协议，但它们对单片机暴露出来的接口永远是最简单的串口（TX/RX）。

• 透传概念：单片机只要像平时发串口数据一样，把"开灯"这两个字的字符串发给模块，模块就会自动通过无线电把这两个字发给手机。手机发回来的"开灯成功"，模块又会自动通过串口喂给单片机。单片机完全不需要懂什么蓝牙协议、TCP/IP协议，这就是串口的强大之处。

三.硬件电路（TX与RX）

核心要点解析

1. 简单双向串口通信有两根通信线（发送端TX和接收端RX）

• 这就是我们之前提到的全双工。设备1通过自己的TX线把数据发出去，通过自己的RX线接收数据。因为收发各占用一根线，所以互不干扰。

• 注意：图中还有VCC和GND。严格的"通信线"是TX和RX，但为了让电路完整，通常还需要电源线（可选，看是否由一方给另一方供电）和地线（GND，必须接）。

2. TX与RX要交叉连接（重点！）

• 这是初学者最容易犯错的地方。看图中间的连线：设备1的TX接到了设备2的RX；设备1的RX接到了设备2的TX。

• 为什么？ 打个比方，你（设备1）和对面的人（设备2）说话。你的嘴巴（TX） 要对着对方的耳朵（RX） ；对方的嘴巴（TX） 要对着你的耳朵（RX）。如果TX接TX，就变成了嘴巴对嘴巴，谁也听不见谁。

• 口诀 ："TX接RX，RX接TX"（收发交叉）。

3. 当只需单向的数据传输时，可以只接一根通信线

• 如果你只是想让设备1给设备2发数据，不需要设备2回复（比如单片机给一块只用来显示的串口屏发数据），那么你完全可以只接一根线：设备1的TX接设备2的RX。

• 当然，GND地线还是得接，否则没有共同的电压参考点，信号会乱。

• 这种叫做"单工"通信。省掉一根线可以降低成本，减少接线复杂度。

4. 当电平标准不一致时，需要加电平转换芯片（避坑指南！）

这是硬件连接中硬件损坏的"重灾区"，一定要理解：

• 什么是电平标准？比如单片机输出的是TTL电平 （高电平3.3V或5V代表1，0V代表0）。而早期电脑的DB9串口输出的是RS232电平（负逻辑，-12V代表1，+12V代表0）。

• 如果你把单片机的TX（3.3V TTL）直接怼到电脑的RS232接口上，高压瞬间就会把单片机引脚烧毁。

• 所以，遇到不同电平标准的设备，中间必须加一个**"翻译官"（电平转换芯片）**。比如：

  • 单片机(3.3V) <-> 电脑USB：需要 CH340 或 CP2102 等USB转TTL芯片。

  • 单片机(TTL) <-> 老式工控机(RS232)：需要 MAX3232 芯片。

  • 单片机(3.3V) <-> 单片机(5V)：虽然有时3.3V单片机能容忍5V输入，但为了保险，最好加电平转换电路或至少串一个电阻限流。

四.电平标准

这张PPT的主题是**"电平标准"** ，它解决的是串口通信在物理层最底层的问题："在电线上，多高的电压代表1，多低的电压代表0？"

在前面的"硬件电路"PPT中我们提到过，如果电平标准不一致，会烧毁芯片。这张PPT就是详细解释为什么会有这种情况。

我们逐行详细拆解：

1. 核心概念：什么是电平标准？

"电平标准是数据1和数据0的表达方式，是传输线缆中人为规定的电压与数据的对应关系"

• 通俗解释 ：单片机里面只有0和1（逻辑）。要把它们发出去，就得用电线。物理上的电线只能传电压。所以大家就坐下来开会，约定好："如果这根线上的电压是X伏，那就代表1；如果是Y伏，那就代表0。" 这个**"约定"，就是电平标准**。

• 核心认知 ：通信协议（UART）和电平标准是两码事。 UART规定的是"一帧数据要有起始位、8个数据位、停止位"；而TTL/RS232/RS485规定的是"在导线上用几伏特来表示这一个个的0和1"。

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2. 三种常见的电平标准详解

① TTL电平（板上通信之王）

"+3.3V或+5V表示1，0V表示0"

• 特点 ：正逻辑（正电压代表1，零电压代表0）。

• 应用场景 ：板级通信。也就是同一块电路板上，芯片与芯片之间的通信（比如你的STM32和板子上的温湿度传感器）。现在的单片机绝大多数都是TTL电平。

• 为什么有3.3V和5V之分？ 因为有些老芯片是5V供电，新的低功耗芯片是3.3V供电。如果一个3.3V的芯片给5V的芯片发数据，5V芯片可能识别不到3.3V是"1"。反之，5V芯片给3.3V芯片发数据，就会烧毁3.3V芯片。

• 缺点：电压低、单端信号（参考GND），抗干扰能力极差，只能传输几十厘米，一般不出电路板。

② RS232电平（老式电脑接口）

"-3~-15V表示1，+3~+15V表示0"

• 特点 ：负逻辑（负电压代表1，正电压代表0）。而且电压非常高（最高可达±15V）。

• 应用场景：早期的电脑DB9接口（那个巨大的9针串口）、老式工业设备。

• 为什么这么反直觉？ 历史上早期的长距离通信为了抗干扰，电压摆幅做得很大（±15V）。为了和TTL区分开，加上负逻辑，RS232的电平定义刚好是TTL的反相。

• 避坑指南 ：绝对不可以把RS232的电平直接接到单片机的TTL引脚上！ 15V的负电压或者正电压，瞬间会把单片机引脚击穿。它们之间必须加转换芯片（比如经典的MAX3232芯片）。

③ RS485电平（工业长距离之王）

"两线压差+2~+6V表示1，-2~-6V表示0（差分信号）"

• 特点 ：差分信号 。它不看单根线对地的电压，而是看两根线（通常叫A线和B线）之间的电压差。如果A比B高2~6V，就是1；如果B比A高2~6V，就是0。

• 优势：抗干扰能力极强！如果旁边有电机产生干扰，两根线上会同时叠加相同的干扰电压，因为它是看"差值"，干扰就被抵消了（共模抑制）。

• 应用场景：工业控制、远距离传输（可达1200米）、汽车内部。

• 注意事项 ：RS485通常是半双工的（同一时刻只能发或者只能收）。单片机通过串口（TTL）加上一个转换芯片（比如MAX485）来收发RS485信号。

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3. 一图胜千言：总结与对比

电平标准	1 的表示	0 的表示	传输方式	典型距离	常见场景
TTL	+3.3V/5V	0V	单端 (对GND)	几十厘米 (板级)	单片机、传感器
RS232	-3~-15V	+3~+15V	单端 (对GND)	十几米	老式电脑、工业设备
RS485	压差+2~+6V	压差-2~-6V	差分 (两线)	1200米	工业总线、强干扰环境

五.串口参数及时序

这张PPT的主题是**"串口参数及时序"** 。如果说前面的PPT是在铺路和买票，这张PPT则是告诉你**"列车的车厢长什么样，乘客（数据）怎么排队上车"**。

这是串口通信中最核心的**协议层（数据链路层）**内容，也是你未来写代码配置串口时必须要设置的参数。我们分两部分详细拆解：上半部分的"五大参数"和下半部分的"时序图"。

第一部分：五大参数详细解析

1. 波特率（Baud Rate）：串口通信的速率

• 通俗解释：就是通信的"语速"。它表示每秒传输多少个bit（位）。

• 关键点 ：因为串口是异步通信（没有时钟线），收发双方必须提前约定好一模一样的波特率。如果A用9600，B用115200，B就会把A的数据完全解读错（乱码）。

• 常见值：9600、19200、38400、115200等。

• 进阶提醒：波特率不仅代表速率，在硬件上它决定了每一位数据在电平线上持续的时间（比如9600波特率下，1个bit持续约104微秒）。

2. 起始位（Start Bit）：标志一个数据帧的开始，固定为低电平

• 为什么需要它？ 串口线平时空闲的时候，电平是高电平（1）。当发送方想发数据时，它得先"拍一拍"接收方的肩膀。怎么拍？就是把线拉低。

• 关键点 ：接收方一直盯着电线，一旦检测到高电平变低电平（下降沿），就知道"有数据来了"，于是开始准备接收。所以起始位必须是低电平（0）。

3. 数据位（Data Bits）：数据帧的有效载荷

• 通俗解释：就是你真正想发的数据。

• 关键点（极易出错） ：PPT特别强调了**"低位先行（LSB First）"**。这点极其重要！

  • 假设你要发送一个字节 0x55（二进制 0101 0101）。

  • 串口会先发最右边的 1（D0），然后 0，然后 1......最后才发最左边的 0（D7）。接收方收到后也会按照这个顺序重新拼装成 0x55。如果你自己写软件模拟时序，搞反了就会收到完全错误的数据。

• 数据位长度：通常是8位（对应一个标准字节），也可以是5~9位。

4. 校验位（Parity Bit）：用于数据验证，根据数据位计算得来

• 通俗解释：相当于快递上的封条，用来检查数据在传输过程中有没有被干扰产生错误。

• 常见类型：

  • 奇校验（Odd）：加上校验位后，数据位+校验位里"1"的总数必须是奇数。

  • 偶校验（Even）：加上校验位后，数据位+校验位里"1"的总数必须是偶数。

  • 无校验（None）：最常用的，不校验，传输效率最高。

• 局限性：它只能检测出"奇数个"错误，如果数据位里有两个bit同时翻车了，它是检测不出来的。只能用于简单的错误检测。

5. 停止位（Stop Bit）：用于数据帧间隔，固定为高电平

• 为什么需要它？ 告诉接收方"这一帧数据发完了"。同时，它也是为下一帧数据做准备。

• 关键点 ：固定为高电平（1），长度可以是0.5位、1位、1.5位或2位（通常选1位）。停止位高电平，起始位低电平，刚好形成一个下降沿，完美衔接下一帧数据。

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第二部分：底部时序图解析

这两个波形图展示了实际传输时的电平变化：

左图（常见模式）：1帧共10位

• 结构：空闲（高） -> 1位起始位（低） -> 8位数据位（D0~D7） -> 1位停止位（高） -> 空闲（高）

• 这是最经典的 "8-N-1"模式（8位数据，无校验，1位停止位）。

• 注意看D0~D7下面的横线：LSB（最低有效位）在左，MSB（最高有效位）在右，完美图解了"低位先行"。

右图（进阶模式）：1帧共11位

• 结构：空闲 -> 起始位 -> 9位数据位（D0~D7 + RB8/TB8） -> 停止位 -> 空闲。

• 这多出来的第9位是什么？它通常是校验位 ，或者是用于多单片机通信时的地址位/数据位标志（在STM32等单片机中，常常把USART配置成9位数据位来充当校验位或多机通信）。

六：串口时序波形分析及理解

1. 印证"起始位"是下降沿（S）

看每一段波形的开头，都有一个红色的 S（Start） 。

你可以清晰地看到，在 S 之前，波形处于高位（空闲）。突然垂直落下，变成低电平。这就是"下降沿"！ 接收方就是靠捕捉这个下降沿来唤醒接收逻辑的。

2. 印证"数据位低位先行（LSB First）"（经典左边三幅图）

• 左上图（0x55） ：0x55 的二进制是 0101 0101。但你看波形中 S 后面的 8 个位，依次是 1 0 1 0 1 0 1 0。完美证明了低位（最右边的1）先发，高位（最左边的0）后发。

• 左二图（0xAA） ：0xAA 的二进制是 1010 1010。波形显示 S 之后是 0 1 0 1 0 1 0 1，同样是低位先行。

• 左三图（0xFF）：全1，波形一直是高电平。

• 左四图（0x00）：全0，波形一直是低电平。

3. 印证"停止位"是高电平（P）

看每段波形结尾的红色 P（Stop） 。

在 8 个数据位发完之后，波形被拉高，保持高电平。这就是我们说的"停止位固定为高电平"，用于给这一帧数据画上句号。后面紧接着又是高电平（空闲状态）。

4. 印证"波特率"（对比左上和右上）

• 左上角 ：参数是 9600。0x55 的一整帧占据了大概 1000us（1ms）。

• 右上角 ：参数是 4800（波特率减半，速度变慢）。同样发 0x55，波形完全一样，但时间拉长了，一帧占据大概 2000us（2ms）。

• 结论：波特率越低，每一个 bit 在时间轴上就越宽。收发双方必须严格匹配，否则接收方会在错误的时刻去采样电平，导致错乱。

5. 印证"校验位"（右二图：0x55, 偶校验）

这个波形最直观。发送 0x55（有4个1，偶数），选择偶校验 。为了维持"1的总个数为偶数"，校验位必须是 0。

你看波形：S -> 1 0 1 0 1 0 1 0（8位数据） -> C（多出来的1个bit，电平是低/0） -> P。

这正好对应了PPT里"1帧共11位"的特殊情况（8数据+1校验+起止）。

6. 印证"停止位长度"和"连续发送"（右下角两幅图）

• 右三图（连续发送0x55） ：你看 P 和下一个 S 是无缝衔接的。刚发完上一帧的停止位（高），立马拉低开启下一帧的起始位（低）。这就形成了一个新的下降沿。

• 右四图（2位停止位） ：在数据位 1 0 1 0 1 0 1 0 后面，你可以明显看到高电平保持了两个 bit 的时间（比上面的 P 宽了一倍），这就是"2位停止位"。

USART串口外设

一.USART简介

1. 身份解析：什么是USART？

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

• 拆解：

  • U (Universal)：通用。

  • S (Synchronous)：同步。也就是有额外的时钟线（CLK），通常我们极少用。

  • A (Asynchronous)：异步。这就是我们前面讲的TX/RX两根线，没有时钟线，靠波特率约定。

  • R/T (Receiver/Transmitter)：接收器/发送器。

• 重点：日常口语中，我们经常把USART和UART混着叫。UART（少了S）只能异步。STM32内的外设全称是USART，因为它既支持异步（常用），又支持同步。

2. 核心机制：硬件外设的魔力

"USART是STM32内部集成的硬件外设，可根据数据寄存器的一个字节数据自动生成数据帧时序，从TX引脚发送出去，也可自动接收RX引脚的数据帧时序，拼接为一个字节数据，存放在数据寄存器里"

• 它解释了为什么我们要用硬件外设，而不是用软件模拟。

• 发送过程（自动打包） ：你只需要把想发的字符（比如 'A'）丢进"数据寄存器（TDR）"。硬件电路会自动帮你加上起始位、校验位、停止位（就是我们上一张PPT看的时序），自动按照你配置的波特率，从TX引脚把高低电平"滴答滴答"地推出去。全程不需要CPU干预。

• 接收过程（自动解包）：RX引脚有电平跳变，硬件电路自动检测起始位，按波特率采样8个数据位，自动剥掉停止位，拼成一个完整的字节，放进"数据寄存器（RDR）"，然后告诉你（触发中断标志）："我收到数据啦，快来拿"。

3. 硬件能力：波特率发生器

"自带波特率发生器，最高达4.5Mbits/s"

• 不需要你写代码去手动计时，它内部有专门的时钟分频电路，你可以通过配置寄存器，让它生成你想要的波特率。

• 4.5Mbits/s 非常快（一般的调试波特率115200连它的零头都不到）。极速的波特率意味着可以搭配DMA（下面会讲）传输大量数据

4. 可配置性：帧格式自由定制

"可配置数据位长度（8/9）、停止位长度（0.5/1/1.5/2）... 可选校验位"

• 这完美呼应了上一张"串口参数及时序"的PPT。

• STM32的硬件USART极其灵活，你可以通过软件配置，决定一帧数据是长什么样。比如：8位数据、1位停止、奇校验；或者9位数据、0.5位停止、无校验。完全由你说了算。

5. 进阶高级功能

"支持同步模式、硬件流控制、DMA、智能卡、IrDA、LIN"

• 硬件流控制：如果发送方发太快，接收方处理不过来怎么办？硬件流控制（RTS/CTS引脚）可以告诉对方"停一停"。

• DMA（直接存储器访问） ：这是初学者到进阶的关键一步！ 如果串口要收几百个字节，用中断一个个收，CPU得累死。配合DMA，串口外设可以直接绕过CPU，把数据寄存器里的数据直接搬到内存数组里。CPU彻底解放，去干其他大事。

• 其他：智能卡、IrDA（红外）、LIN（汽车局域网的一种低成本协议）都是特定领域的衍生应用。

6. 具体芯片资源：STM32F103C8T6

二"STM32F103C8T6 USART资源：USART1、USART2、USART3"

• 你手上的这块经典入门神U（通常叫"蓝桥杯板"或"小蓝板"），一共提供了3个串口外设。

• 避坑重点（写代码时极易错）：

  • USART1 挂在 APB2 总线（高速总线）上，最高时钟72MHz。

  • USART2 和 USART3 挂在 APB1 总线（低速总线）上，最高时钟36MHz。

  • 这决定了你在计算波特率时，给它们配置的时钟源频率是不一样的！如果搞错了，写出来的波特率就会差一倍。

二.USART框图

1、 核心主线：数据收发的高速公路（图中部偏上）

这是整张图最关键的部分，负责**"并转串"** （发送）和**"串转并"**（接收）。

1. 发送路径（从右向左看数据流向）：

• PWDATA（顶部）：CPU或DMA写入的数据。

• 发送数据寄存器（TDR） ：CPU把要发的字节丢进这里。你可以把它想象成一个**"候车室"**。

• 发送移位寄存器 ：TDR里的数据会被自动送到这里。它是个**"流水线"** 。它会按照你配置的波特率，把8个bit的数据加上起始位、校验位、停止位，一位一位地推送到下方的 TX引脚 上。

• 💡 硬核知识点（双缓冲） ：正因为有TDR和移位寄存器分离的设计（双缓冲），所以当移位寄存器正在往TX线上一位一位推数据时，CPU可以立刻往空的TDR里写入下一个字节。这就保证了数据可以无缝连续发送 ，不会在两个字节之间产生卡顿。当TDR空了，硬件会把状态寄存器里的 TXE 标志位置1，告诉CPU"候车室空了，快塞下一个数据"。

2. 接收路径（从左向右看数据流向）：

• RX引脚：数据从外部进来。

• 接收移位寄存器：它一直盯着RX引脚的电平变化，检测到起始位后，按照波特率一位一位地采样，拼成一个完整的字节。

• 接收数据寄存器（RDR） ：拼好的字节会被送进RDR。你可以把它想象成**"到达大厅"**。

• PRDATA（顶部）：CPU或DMA通过总线把RDR里的数据读走。

• 💡 硬核知识点 ：当RDR里收到数据后，状态寄存器里的 RXNE（接收数据寄存器非空）标志位会置1，告诉CPU"来数据了，赶紧来拿"。如果你一直不拿，下一个数据又来了，就会发生溢出错误（ORE），数据就丢了。

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2、 控制大脑：三大配置寄存器（图中部偏下）

在数据主线周围，分布着 CR1、CR2、CR3（控制寄存器）。我们在代码里写的配置，最终都变成了这几个寄存器里的0和1。

• CR1（最核心） ：控制基础参数。比如 M 位配置数据长度（8/9位），PCE 配置校验位，TE 和 RE 是发送/接收总开关。

• CR2 ：配置停止位长度（STOP），以及同步模式（CLKEN, CPOL, CPHA）。

• CR3 ：配置高级功能，比如 DMA使能（DMAT, DMAR）、硬件流控制（RTSE, CTSE）。

• 中断控制（最下方USART中断控制）：CR1/CR2/CR3里的各种使能位，结合状态寄存器（SR），最终汇总到这里。一旦发生事件（如收到数据、发送完成），就会向CPU的NVIC（中断控制器）发出中断请求。

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3、 节拍器：波特率发生器（图右下角虚线框）

串口是异步通信，没有时钟线，全靠波特率发生器定节拍。

• fPCLKx ：这是来自STM32内部APB总线的时钟（我们在上一张PPT讲过，USART1在APB2，USART2/3在APB1）。图中写着 ÷16，说明STM32的USART硬件默认采用16倍过采样。

• USART_BRR ：波特率寄存器。它包含整数部分（DIV_Mantissa）和小数部分（DIV_Fraction）。

• 计算公式 ：波特率 = fPCLKx / (16 * USARTDIV)。

• 生成的时钟会分别给"发送器时钟"和"接收器时钟"，指挥移位寄存器什么时候推一位，什么时候采一位。

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4、 外部世界：物理引脚（图左侧）

这些是你需要在开发板上用杜邦线接出去的引脚：

• TX / RX：最常用的发送和接收引脚。

• nRTS / nCTS ：硬件流控制引脚（n代表低电平有效）。当接收方RDR满了，拉高nRTS告诉发送方"别发了，我撑死了"；发送方检测到nCTS被拉高，就会暂停发送。防止数据丢失。

• SCLK：同步模式下的时钟输出引脚（极少用）。

• SW_RX / IrDA_OUT / IrDA_IN：智能卡（SmartCard）和红外（IrDA）功能的专用引脚。

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5、 状态汇报：状态寄存器（图中下偏右的SR）

SR（Status Register）里有各种标志位：

• TXE：发送数据寄存器空（候车室空）。

• TC：发送完成（流水线也彻底空了，最后一个bit发完了）。

• RXNE：接收数据寄存器非空（到达大厅有包裹）。

• ORE：溢出错误（包裹没拿走，新包裹又来了）。

• PE：校验错误。

• FE：帧错误（停止位没收到高电平）。

总结：看图的正确姿势

当你以后写STM32的USART代码时，脑子里要有这张图：

1. 开启时钟（给图右下角的fPCLKx供电）。

2. 配置CR1/CR2/CR3（设定数据长度、停止位、校验）。

3. 计算并写入BRR（设定波特率）。

4. 使能TE和RE（打开收发开关）。

5. 等待SR里的TXE/RXNE，或者开启对应的中断，进行数据的读写。

三：USART基本结构

1. 左侧：动力与节拍源（波特率发生器）

• PCLK2/1：这是STM32内部总线提供的时钟源（前面讲过，USART1用PCLK2，USART2/3用PCLK1）。

• 波特率发生器：它的作用就是"降频"。总线时钟太快了（几十兆赫兹），串口用不了这么快。它把高频时钟分频，生成我们需要的"波特率节拍"（比如9600Hz、115200Hz）。

• 输出：这个节拍同时交给了"发送控制器"和"接收控制器"，确保收发双方（单片机和电脑）步调一致。

2. 上方：发送流水线（CPU -> TX引脚）

• 发送控制器：收到波特率节拍后，开始指挥发送。

• 发送数据寄存器（TDR）------ 候车室：CPU把要发的字节（比如0x55）写进这里。

• 发送移位寄存器 ------ 流水线 ：TDR里的数据立刻被送到这里。它会在"发送控制器"的节拍下，自动加上起始位、校验位、停止位，然后一位一位地通过 GPIO（TX引脚） 推出去。

• 关键点：因为TDR（候车室）和移位寄存器（流水线）是分开的，所以当流水线在发A字节时，CPU可以马上把B字节放进候车室。这就是为什么串口能连续不断地发数据。

3. 下方：接收流水线（RX引脚 -> CPU）

• GPIO（RX引脚） -> 接收移位寄存器 ------ 流水线：外部数据进来，移位寄存器盯着电平，按照波特率一位一位地采样，剥掉起始位和停止位，拼成一个完整的字节。

• 接收数据寄存器（RDR）------ 到达大厅 ：拼好的字节被丢进RDR。此时状态寄存器的 RXNE 标志位会置1。

• 接收控制器：负责监控接收过程，如果发生错误（比如校验错、帧错），它也会记录下来。

• CPU读取 ：CPU看到 RXNE 标志后，直接来读取RDR，就把数据拿走了。

4. 右下角：开关控制

• 对应复杂框图里的CR1寄存器的 TE（发送使能）和 RE（接收使能）。相当于整个快递站的总闸。配置好参数后，必须打开这个开关，收发控制器才会开始工作。

四.数据帧

这张图告诉你，如何通过配置寄存器，决定你的数据帧里"有效载荷"有多长。

1. 核心开关：M位

在STM32的USART控制寄存器（CR1）里，有一个 M 位：

• 9位字长（设置了M位）：起始位 + 9位数据 + 停止位。此时一帧有11位（算上起止位）。

• 8位字长（未设置M位）：起始位 + 8位数据 + 停止位。这是最经典的"8-N-1"模式，一帧10位。

2. 为什么会有9位？

图中标注了"可能的奇偶校验位"。在9位模式下，第8位（第9个bit）通常有两个用途：

• 当作校验位：如果你启用了校验，硬件会自动占用第9位作为校验位，真正传输的数据还是8位。

• 多机通信的地址位：在STM32的多处理器通信（Multiprocessor Communication）中，第9位用来区分这帧数据是"地址"还是"数据"。（这是进阶内容，入门先了解即可）。

3. 图中额外的彩蛋：空闲帧与断开帧

图中间有两条特殊的线：

• 空闲帧（Idle Frame）：全1（高电平）。STM32可以主动发送一个空闲帧，通常用来唤醒处于睡眠状态的接收方。

• 断开帧（Break Frame）：全0（低电平，包含停止位也是0）。它用于发送一个特殊的"中断"信号，比如在某些协议中用来复位接收方。

第二张图（图250）：配置停止位（0.5 / 1 / 1.5 / 2）

这张图展示了当数据位选定了8位后，停止位长度不同时的时序差异。

在STM32中，停止位不是只有1位，你可以通过CR2寄存器的 STOP 位，配置成4种长度：

• a) 1个停止位：最标准，最常用。大家平时配置的"1"就是这个。

• b) 1.5个停止位：注意看它的高电平时间，比1位宽，比2位窄。

• c) 2个停止位：高电平保持2个bit的时间。通常用于连接一些反应比较慢的老式外设（给他们多一点处理时间），或者提高抗干扰能力。

• d) 0.5个停止位 ：注意看，它只维持了0.5个bit的高电平，紧接着就是下一个起始位（或空闲）。0.5个停止位通常用于**智能卡（SmartCard）**模式，或者接收方为了追求极致速度，只检测半个停止位就准备接收下一帧。

五.起始位侦测

这张PPT（出自STM32参考手册的图252）是USART接收机制里最精妙、也最体现硬件设计智慧的一页。

它的核心主题是："当RX线上出现一个下降沿时，硬件怎么判断它是真正的起始位，还是干扰噪声（毛刺）？"

结合你之前问的"起始位为什么是下降沿"，这张图给出了完美答案：因为电磁干扰，单纯的下降沿不可靠，必须进行"多重采样和投票表决"。

我们来逐行拆解这张复杂的时序图：

1. 核心机制：16倍过采样（16x Oversampling）

你看图中间的"理想的采样时钟"，一共有16个箭头。这意味着：在波特率设定的"1位时间"内，硬件其实以16倍速在疯狂运行。 这么做就是为了有足够的空间去"防抖"和"找中心点"。

2. 侦测过程：三步走策略

我们顺着图中的虚线往下看：

• 第一步：捕捉下降沿（检测起点）

  • 接收信号线（最上方）从空闲的高电平掉到了低电平（下降沿）。

  • 此时，接收状态从"空闲"进入"起始位"状态。

• 第二步：第一次多数表决（排除毛刺）

  • 信号掉下来后，硬件不会立刻全盘接收。它会在第3、5、7个时钟周期进行第一次采样（看图中左侧的三个箭头）。

  • 看最下方的"判断起始位的条件"："每3位里面至少应有2个0"。

  • 为什么这样做？ 如果这是一个瞬间的干扰毛刺（比如突然跳低又跳高），这三次采样里通常会有高电平。如果这三次里有两次以上是低电平（0），硬件才认为信号"确实一直处于低电平"。

• 第三步：第二次多数表决（确认起始位）

  • 紧接着，硬件在第8、9、10个时钟周期进行第二次采样。

  • 同样要求："每3位里面至少应有2个0"。

  • 如果这两轮表决（3次里至少2次为0）都通过了，硬件才在逻辑上真正认定这是一个有效起始位。

  • 如果第二轮表决失败，硬件会认为刚才只是干扰，直接丢弃，重新回到"空闲"状态，等待下一次下降沿。

3. 终极目标：对齐"数据采样"中心点

只要你确认了起始位（在第8、9、10个时钟周期确认），后面的数据位采样就顺理成章了。

你看图中的"实际采样时钟"部分，在起始位确认后，后续的8个数据位，都会固定在第8、9、10个时钟周期进行采样。

• 为什么选第8、9、10位？ 因为这正好是一位时间的中间位置（1位/2 = 第8位）。在电平正中间采样，是最稳定的，完全避开了电平跳变时可能产生的边缘抖动。

4. 图中的"X"是什么意思？

你看"实际的采样时钟"里有很多"X"。

• 那些带 X 的时钟箭头，代表硬件不采样或者采样后直接丢弃。

• 只有在第3、5、7、8、9、10这些特定节点，硬件才真正读取电平。图中还标注了 7/16 和 6/16，指的是如果检测不到有效的起始位，这个计时会重置。

总结与实战意义

这张图告诉你一个硬核事实：串口通信非常抗干扰。

它靠的是**"16倍频 + 多数表决（三局两胜）"**。这也是为什么你在实际工程中，哪怕旁边有电机干扰，串口偶尔还能正确收到数据的原因（因为硬件帮你把偶尔的毛刺过滤掉了）。

代码的启示：

1. 波特率不能无限拔高：因为硬件要跑16倍的时钟频率去采样。如果你写115200波特率，硬件内部时钟至少需要 115200 * 16 = 1.8432 MHz 的采样时钟。波特率太高，采样就来不及，误码率会飙升。

2. 拒绝软件模拟的低效：如果你用软件模拟串口，你很难实现这种"16倍采样和三取二表决"的复杂机制。所以硬件USART才是首选。

六.数据采样

这张PPT（图253）是上一张"起始位侦测"的完美续集。

如果上一张图讲的是"如何确认数据包的到来（防假起始位） "，那么这张图讲的就是"如何精确提取每一个数据位（防噪声干扰）"。

它的核心主题是："在一个数据位的16个时钟周期里，硬件到底在什么时候读电平？怎么读才最准确？"

我们结合图上的细节，分四步拆解：

1. 核心时钟：16倍过采样

看中间的"采样时钟"，编号从 1 到 16。

这再次印证了STM32的硬件USART是在以16倍于波特率的速度在运行。这意味着，哪怕你的波特率是115200，内部硬件实际上在跑 115200 × 16 = 1.8432 MHz 的时钟。位时间被切碎了，就给了硬件"腾挪"的空间。

2. 核心坐标：黄金采样点（8、9、10）

你看图中间的"数据采样"括号，罩住了第 8、9、10 这三个时钟周期。

• 为什么选这三个点？

  一个数据位（16个周期）从第1个周期开始，到第16个周期结束。第8、9、10个周期，正好处于这个位的正中间 。

  在通信领域，信号在边缘处最容易抖动（比如上升沿/下降沿的过冲、振铃）。避开边缘，在正中心采样，是获取稳定电平的最优解。你可以理解为：跳跳绳时，绳子打地的瞬间（边缘）看不清，但在绳子甩到最高点（中间）时看得最清楚。

3. 核心算法：三局两胜（多数表决）

在第8、9、10个周期，硬件会连续读取三次电平。

• 如果这三个点里有2个或3个 是低电平（0），硬件就判定这个数据位是 0。

• 如果这三个点里有2个或3个 是高电平（1），硬件就判定这个数据位是 1 。

  这相当于自带了一个数字滤波器，哪怕第9个周期刚好来了一个瞬间毛刺，只要第8和第10个周期是对的，结果依然正确。

4. 为什么这张图叫"检测噪声的数据采样"？（看最上面的波形）

你看最上方的"接收信号线"，在下降沿的地方，画了一块灰色的阴影（毛刺/噪声）。

• 如果是不懂原理的人，可能一看到下降沿就立刻开始读数据（在第1或第2个周期采样），那样绝对会读到错误的值，因为那里正好是电平振荡的区域。

• STM32的硬件非常聪明：它知道边缘不可靠。它特意等到信号稳定下来，在第8、9、10个周期才去采样。这就完美避开了灰色阴影区域。

5. 箭头上的时间分配（7/16 和 6/16）

你看底部的箭头：

• 7/16：从第1个周期到第8个周期前（等待信号稳定）。

• 6/16：从第8个周期到第10个周期（核心采样区）。

• 7/16 ：从第11个周期到第16个周期（留出时间，准备迎接下一个位的起始或停止位）。

  加起来正好是 16/16，一个完整的数据位时间。

💡 总结与实战意义

这张PPT告诉你：硬件USART极其抗造。

它不仅能防"假起始位"（上张图），还能防"位内毛刺"（这张图）。

这也解释了新手常问的一个问题：

"为什么我自己用 GPIO 延时（软件模拟串口）读出来的数据经常乱码，而用硬件USART就很稳？"

答：因为软件模拟很难做到**"16倍频采样 + 第8、9、10个时钟中心点三局两胜"**这种极其苛刻的底层时序控制。MCU的CPU还要处理别的任务，稍微被中断打断一下，采样点就偏了。而硬件USART是不受CPU干预的，它的时序精度是纳秒级的。

七.波特率发生器

这张PPT的主题是**"波特率发生器"** 。如果说前几张PPT解决的是"怎么采样"的问题，这张PPT解决的就是**"怎么产生那个极其精准的16倍采样时钟"**的问题。

这是异步串口通信最底层的**"心脏起搏器"**。我们结合PPT的公式和下方的寄存器截图，分四个层次来详细拆解：

一、 核心公式解密：为什么有个"16"？

公式：波特率 = f_PCLK2/1 / (16 * DIV)

这个公式是整个波特率发生器的灵魂，我们把它拆解成三部分：

1. f_PCLK2/1：这是"原料"。也就是给USART外设供电的时钟源频率（前面讲过，USART1挂APB2，USART2/3挂APB1）。

2. 16：这是"固定系数"。对应我们上一张PPT讲的"16倍过采样"。因为STM32内部是以16倍速在运行，所以要先把总线时钟除以16，得到实际的"位时间"基准。

3. DIV (USARTDIV) ：这是"分频系数"。就是我们写进 USART_BRR 寄存器里的值。

这个公式告诉我们：只要知道了单片机的总线时钟频率和你想用的波特率，就能反推出DIV的值。

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二、 硬件寄存器解剖：如何表达小数？

看PPT下半部分的寄存器图（图25.6.3），这是最精妙的地方。

假设你的 f_PCLK 是 72MHz（STM32F103常见的USART1时钟），你想配置波特率为 115200 。

按照公式计算 DIV：

DIV = 72,000,000 / (16 * 115200) = 39.0625

你看，结果是带小数的！ 而数字电路是没法直接存小数的。STM32的解决方案非常聪明：

• 位15:4 DIV_Mantissa[11:0] ：12位整数部分。存储 39（二进制为 0010 0111）。

• 位3:0 DIV_Fraction[3:0] ：4位小数部分 。怎么表示 0.0625？STM32规定，这4位代表的是 小数部分 * 16。所以 0.0625 * 16 = 1，把 1 存进这4位里。

所以，你往 USART_BRR 寄存器里写入的最终值是：

(39 << 4) | 1 = 624 | 1 = 625 (0x271)

(在HAL库中，我们只需要给参数 115200，库函数会自动帮我们算好并写入BRR)。

为什么精度这么重要？

因为串口是异步的，允许的误差通常是 ±2% 到 ±3%。如果小数部分被粗暴地舍去（比如DIV算出来是39.0625，你直接填39），那么实际波特率偏差会达到 0.0625 / 39 ≈ 0.16%。这看起来很小，但如果连续传几百个字节，累积的误差就会越来越大，最终导致采样点偏移到电平边缘，产生乱码。有了这4位小数，STM32就能极其精准地逼近你想要的波特率。

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三、 注意事项解读

"注意：如果TE或RE被分别禁止，波特计数器停止计数"

这是一个低功耗设计的细节。

• 如果你不需要发送数据，把 TE（发送使能）关了，硬件就会自动停止发送器的波特率计数，不再产生多余的时钟翻转，节省一点点功耗。

• 但要注意，在配置波特率发生器（写BRR寄存器）之前，一定要确保 TE 和 RE 是关闭的，等配置完毕，再使能它们。这是标准的安全操作流程。

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四、 💥 实战避坑指南（极其重要！）

这张PPT的公式里写着 f_PCLK2/1，这是初学者最容易踩坑的地方！因为你必须去查芯片的"时钟树"。

以你的 STM32F103C8T6（PPT里提到的）为例：

• USART1 挂在 APB2 总线上，APB2的最高频率是 72 MHz。

• USART2 和 USART3 挂在 APB1 总线上，APB1的最高频率是 36 MHz。

当你写代码时：

• 你给 USART1 配置 115200，底层会用 72MHz 去算 DIV。

• 你给 USART2 配置 115200，底层会用 36MHz 去算 DIV。算出来的 DIV 刚好是 USART1 的一半。

如果串口助手收到的全是乱码，或者稍微长一点的字符串就出错：

1. 首先检查你自己算DIV时的总线时钟频率写对没有（是不是把USART2当成72MHz去算了）。

2. 其次，可以稍微降低一点波特率（比如从115200降到9600），波特率越低，容错率越高，对时钟精度的要求就越低。