课时03 嵌入式技术应用设计实训 | 串口通信：USART 收发二进制 与 printf

阿钱真强道2026-10-07 11:28

嵌入式技术应用设计实训 | 串口通信：USART 收发二进制 与 printf

本课程开源地址（Gitee） ：https://gitee.com/fujianxinxi/qianrushishixundianzi.git

课件、示例代码与验收脚本都在该仓库，可直接 git clone 或下载 ZIP 使用。

B站配套视频合集 ：https://space.bilibili.com/572740825/lists?sid=9228122

合集《嵌入式技术应用设计实训｜STM32F103 从点灯到智能家居》：每课配一节视频，可先看现象演示，再照着做。

开发板资料A盘（百度网盘） ：https://pan.baidu.com/s/1_EXrjRUewwmGMgcy38zEZg（提取码：zbri）

正点原子官方资料下载 ：http://www.openedv.com/docs/boards/stm32/zdyz_stm32f103_nano.html
模块一 基础外设开发 · 2 学时 · 环境：Keil MDK5 + VS Code + 正点原子 STM32F103 Nano V1.3

一句话概述 ：从"串口是几根线、字怎么发出去"入手，把 USART1 的初始化一步步写在 main.c 里（开时钟 → PA9/PA10 复用 → 115200-8-N-1 → 中断），再用一个 APP_MODE 宏切换两种现象：模式 1 用 printf 打印调试信息，模式 2 收 2 字节二进制命令帧控制 8 个 LED；并把厂家例程"printf 走裸寄存器、回显走 HAL"的两条发送路收拢成唯一的 uart_send()。

本节目标

  1. 能说出串口通信要几根线、为什么两边的波特率和数据格式必须完全一致，并照着 3.1 的步骤认准板载 ST-Link 带出的虚拟串口（STLink Virtual COM Port）、把串口助手连上板子
  2. 能照着 UART1_Init() 说出串口初始化的三步（开时钟 → 配 PA9/PA10 复用 → 配 115200-8-N-1），并把模式 1 跑通，在串口助手里看到 printf 打印的计数
  3. 能说出 printf 为什么会跑到串口上（fputc 重定向 + MicroLIB），并解释本课为什么要把"发送"收拢成唯一的 uart_send()

一、原理说明

串口是单片机和电脑之间最朴素的一条数据通道：它只用两根线，一根负责发（TX）、一根负责收（RX），再加上一根地线；数据一个位一个位地按约定好的快慢送出去，这个"快慢"就是波特率。STM32F103 里的 USART1 已经把最麻烦的串并转换做在硬件里了，我们要做的只有三件事：把引脚配成复用功能交给它管、把两边参数设成一样（115200-8-N-1）、然后往数据寄存器里写字节。而"把信息打到电脑上看"这件事，平时用 printf 最省事------可 printf 自己一点也不懂串口，它只是把内容拼成字符串，再一个字符一个字符地交给 fputc()，所以只要重写 fputc() 让它把字符写进 USART1，printf 的输出就跑到电脑上了。这节课还要顺手治一个"病"：厂家例程里 printf 走裸寄存器、回显又走 HAL_UART_Transmit，同一个串口两套写法，看着很乱；本课把两条路合并到唯一的 uart_send()，以后不管发文本还是发二进制命令帧，都只走这一条。

二、讲解内容

2.1 知识讲解

1）串口凭什么能对上：靠"两边约定同一个节拍"

串口是异步 通信：它不像 I²C 那样单独拉一根时钟线，而是靠两边约定同一个波特率 来对齐时间。一帧数据的格式是固定的：1 位起始位 + 8 位数据 + 1 位停止位 （没有校验位）。接收方看到起始位就开始按波特率采样，采满 8 位、见到停止位，这一字节就算收到了。所以只要保证两边都是 115200-8-N-1，数据就能对上；波特率差一点，收到的就是乱码。

2）板子上怎么接：两根线全都板载好了

板载部分 开发板引脚 说明
USART1 发送 TX PA9 复用推挽输出：引脚交给 USART1 去拉高拉低
USART1 接收 RX PA10 复用输入：外部电平直接进 USART1
板载 ST-Link 的虚拟串口 PA9 / PA10（板上已连好） 下载与串口共用一根 USB 线 ：插上电脑后，设备管理器 → 端口里出现 STMicroelectronics STLink Virtual COM Port (COMx)------不用接杜邦线，也不用装 CH340 之类的串口驱动

注意 ：板子上的 ST-Link 一只管两件事------下载 和串口 。串口不是从"另一个 USB 口"出来的，而是这根 USB 线里附带的虚拟串口；设备管理器 → 端口里那个 STLink Virtual COM Port (COMx) 才是串口助手要选的口（别选成上面的 ST-Link 设备）。

3）两边参数必须一模一样

参数 本课取值 说明（串口助手要选成一样）
波特率 115200 每秒 115200 个位；两边不一致 = 乱码
数据位 8 一个字节 8 位
停止位 1 一帧结尾 1 位
校验位 无（None） 本课不用校验
流控 无（None） 不用 RTS/CTS

4）printf 重定向：三件套 + 一个勾

printf 是 C 标准库的函数，在嵌入式里它默认想走"半主机"（把输出交回调试器），而板子单跑时没有调试器接着，程序就会停在那里。要让它走 USART1，需要下面三件事再加 Keil 里的一个勾：

位置 代码 作用
文件开头 #pragma import(__use_no_semihosting) 声明不用半主机模式
补标准库要的符号 struct __FILE{int handle;};、FILE __stdout;、void _sys_exit(int x){x=x;} 让编译能通过
重写 fputc() uart_putc((u8)ch); 关键 ：printf 最终就是一个字符一个字符地调它
Keil 选项 Options for Target → Target → 勾上 Use MicroLIB 这个勾不勾，printf 就是不出声，本课最常见的坑

5）本课为什么要把它"收拢成一条路"

厂家例程里，往串口写东西有两条路：printf 走 fputc() 里的裸寄存器；回显走 HAL_UART_Transmit()，后面还跟着一句多余的"等 TC"。初学的困惑就出在这儿------**同一个 USART1，怎么冒出两套写法？**本课的做法是抽出一个最底层 uart_putc()，让上面两个入口都走它：

text 复制代码 
printf ─┐
        ├──> uart_putc() ──> USART1     （全课唯一的发送路径）
uart_send() ─┘

这样既保住了 printf 的方便，又只有一条真正碰硬件的路；后面课时17 做"串口命令与集成"时，这套写法能直接用。

6）本课两个模式：一个宏，两选一

板子上只有一个串口，同一时刻只能干一件事。本课用 APP_MODE 宏把两种用法做成编译期二选一 （改 usart.h 开头那一行，重新编译下载即可）：

APP_MODE 现象 串口助手怎么设 谁在用
1（默认） printf 打印文本：上电两行欢迎语，之后每 500 ms 一行 运行中... count = n，DS0 同步闪 波特率 115200，文本方式看 本课主讲，也是以后各课的"调试手段"
2 收 2 字节二进制命令帧控制 8 个灯：发 00 01 → DS0 亮 波特率 115200，勾"十六进制发送" 实验三的基础

**为什么不做成两个独立开关、让 printf 和二进制同时开着？**因为调试打印出来的文本字节会混进二进制数据流里，上位机按帧解析必然错位。一个串口，同一时刻只留一条路------这是本课的设计前提。

7）二进制命令帧：2 个字节说清一件事

字节 含义 取值
第 1 字节 哪个 LED 0x00~0x07 → DS0~DS7
第 2 字节 亮还是灭 0x00 = 灭，0x01 = 亮

发 00 01 = DS0 亮；发 03 00 = DS3 灭。收发双方约定好"第 1 个字节永远是灯号、第 2 个字节永远是开关" ，这就是一个最小可用的通信协议。它比"发字符串 LED0 ON 再去解析"省事得多：不用分割字符串、不用比大小写，两行判断就干完了。

8）为什么本课把串口初始化写在 main.c 里

厂家例程把初始化拆在 uart_init() 和 HAL_UART_MspInit() 两处，学生点进去只看到 HAL_UART_Init() 一句，时钟和引脚都藏在另一个文件里，像个黑盒。本课把它全部写进 main.c 的 UART1_Init()，和课时01 点灯、课时02 读按键是同一个套路：

步骤 干什么 本课的代码 不做会怎样
① 开时钟 给 GPIOA、USART1、AFIO 使能时钟 __HAL_RCC_USART1_CLK_ENABLE(); 等三行 后面写寄存器全部无效，且不报错
② 配引脚 PA9 复用推挽输出、PA10 复用输入 GPIO_MODE_AF_PP / GPIO_MODE_AF_INPUT 引脚还挂在 GPIO 上，串口既收不到也发不出
③ 配参数 115200-8-N-1，收发都开 UART1_Handler.Init.* + HAL_UART_Init() 参数不一致 = 全是乱码
④（模式 2）使能中断 放行 USART1_IRQn 并启动一次接收 HAL_NVIC_EnableIRQ() + HAL_UART_Receive_IT() 引脚能收到数据，但 CPU 永远不去取

9）定长帧的"软肋"也要讲清

2 字节定长帧好写好用，但它有个天生弱点：一旦少收一个字节，收发双方的"帧边界"就永远错开了 ，之后每 2 个字节都会被拼成一条错误命令。本课的处理是"不合法就丢掉、能当新帧头就重来"（见 HAL_UART_RxCpltCallback() 里那几行判断），能自愈一部分；真正的解决办法是给帧加帧头 （如 0xAA）和校验和------那是实验三的挑战项。

2.2 代码示例

本课只改两个文件 （都在 课时文档/代码/课时03-串口通信：USART 收发与 printf/串口通信实验/ 下）：

text 复制代码 
USER/main.c                   ← 串口初始化（UART1_Init）、中断收发、两个模式的 main()
SYSTEM/usart/usart.h          ← APP_MODE 开关 + 对外接口声明
SYSTEM/usart/usart.c          ← 串口底层：uart_putc / uart_send / fputc

工程里其余文件（HARDWARE/LED、SYSTEM/sys、SYSTEM/delay、HALLIB、CORE）都是现成的，不用动。

SYSTEM/usart/usart.h（完整代码）

c 复制代码 
#ifndef __USART_H
#define __USART_H
#include "stdio.h"
#include "sys.h"
//////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////
// 《嵌入式技术应用设计实训》课时03 串口通信：USART 收发与 printf
// 本文件基于正点原子 ALIENTEK NANO STM32F103 厂家例程（串口通信实验-HAL库版本）改写，
// 原例程版权归广州市星翼电子科技有限公司所有。
//
// 本课把厂家例程"同一个串口两套写法"的问题收拢成一条路：
//      printf  ─┐
//               ├──> uart_putc() ──> USART1   （全课只有这一条发送路径）
//      uart_send() ─┘
// 串口的初始化不在这里，全部写在 USER/main.c 的 UART1_Init() 里，看得见、不是黑盒。
//////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////

/* ==================== 演示模式选择（改这一行即可） ====================
   1 = 调试打印   ：printf 往串口打印文本，人在串口助手里看（本课主讲）
   2 = 二进制收发 ：串口收 2 字节命令帧，控制 8 个 LED 亮灭（实验三的基础）
   改完必须重新编译下载，否则板子上跑的还是上一个程序。
   ==================================================================== */
#define APP_MODE 1
#if (APP_MODE != 1) && (APP_MODE != 2)
    #error "APP_MODE 只能填 1 或 2，请修改 usart.h 开头的 APP_MODE 宏"
#endif

#define RXBUFFERSIZE 1                          // 中断方式一次收几个字节（本课收 1 个）

extern UART_HandleTypeDef UART1_Handler;        // USART1 句柄：usart.c 里定义、main.c 里初始化
extern u8 aRxBuffer[RXBUFFERSIZE];              // 中断接收暂存，每次 1 字节

void uart_send(const u8 *buf, u16 len);         // 本课唯一的发送出口：printf 和命令帧都走它
#endif

SYSTEM/usart/usart.c（完整代码）

c 复制代码 
#include "sys.h"
#include "usart.h"
//////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////
// 《嵌入式技术应用设计实训》课时03 串口通信：USART 收发与 printf ------ 串口底层驱动
// 本文件基于正点原子 ALIENTEK NANO STM32F103 厂家例程（串口通信实验-HAL库版本）改写，
// 原例程版权归广州市星翼电子科技有限公司所有。
//
// 本文件只干一件事：把字节"发出去"，而且全课只有这一条发送路径
//     ① uart_putc()  最底层：等上一个字节发完，再把一个字节写进数据寄存器
//     ② uart_send()  对外唯一出口：printf、二进制命令帧、调试回显都走它
//     ③ fputc()      只在模式 1 里，把 printf 的输出接到 uart_putc() 上
//
// 注意：串口的"初始化"（时钟、引脚、波特率、中断）不在这里，
//       全部写在 USER/main.c 的 UART1_Init() 里，课上要能一眼看全，不是黑盒。
//////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////

UART_HandleTypeDef UART1_Handler;               // USART1 句柄
u8 aRxBuffer[RXBUFFERSIZE];                     // 中断接收暂存，每次 1 字节

// 最底层：发 1 个字节
// SR 的 bit6 是 TC（Transmission Complete，发送完成标志）。
// 等它为 1，说明上一个字节已经发完，这时再写 DR 才不会把上一个数据冲掉
static void uart_putc(u8 ch)
{
    while ((USART1->SR & 0x40) == 0);           // 等 TC = 1：上一个字节发完了
    USART1->DR = ch;                            // 写数据寄存器，硬件自动一个位一个位发出去
}

// 对外唯一出口：发一串字节
// 厂家例程里 printf 走裸寄存器、回显又走 HAL_UART_Transmit，同一个串口两套写法；
// 本课把两条路合并到这里------以后不管发文本还是发二进制帧，都只调这一个函数
void uart_send(const u8 *buf, u16 len)
{
    while (len--) uart_putc(*buf++);
    while ((USART1->SR & 0x40) == 0);           // 等最后一个字节真正发完再返回
}

#if (APP_MODE == 1)
// -------------------- printf 重定向（只有调试模式才接进来） --------------------
// printf 自己不懂串口：它先把内容拼成字符串，再一个字节一个字节地调用 fputc()。
// 所以只要重写 fputc()，printf 的输出就进了 USART1。
// Keil 里必须勾选 Options for Target → Target → Use MicroLIB，否则不生效。
#pragma import(__use_no_semihosting)            // 不使用半主机模式，免得卡在 BKPT 上
struct __FILE                                   // 标准库要求有这个类型
{
    int handle;
};
FILE __stdout;
void _sys_exit(int x)                           // 屏蔽半主机相关的退出函数
{
    x = x;
}
int fputc(int ch, FILE *f)
{
    uart_putc((u8)ch);                          // 就这一句：和 uart_send() 走同一条路
    return ch;
}
#endif

USER/main.c（完整代码）

c 复制代码 
#include "sys.h"
#include "delay.h"
#include "usart.h"
#include "led.h"
//////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////
// 《嵌入式技术应用设计实训》课时03 串口通信：USART 收发与 printf
// 本文件基于正点原子 ALIENTEK NANO STM32F103 厂家例程（串口通信实验-HAL库版本）改写，
// 原例程版权归广州市星翼电子科技有限公司所有。
//
// 硬件：正点原子 STM32F103 Nano V1.3（全部板载，不用额外接线）
//     USART1：PA9 = TX，PA10 = RX，板上已连到板载 ST-Link 虚拟串口，下载与串口共用一根 USB 线
//     8 个 LED：PC0~PC7（DS0~DS7），低电平点亮
//
// 本课两个模式（改 usart.h 开头的 APP_MODE 切换，换模式要重新编译下载）：
//     模式 1 调试打印   ：printf 打印文本，串口助手用"文本"方式看
//     模式 2 二进制收发 ：收 2 字节命令帧控制 LED，串口助手要勾"十六进制发送"
//
// 本课特意把串口初始化写在 UART1_Init() 里，而不是藏在驱动文件里：
// 复用功能的时钟、引脚、波特率、中断，一步步都看得见，不是黑盒。
//////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////

// ------------------------------------------------------------------------------
// 串口 1 初始化（USART1，115200-8-N-1）
// 和课时01 点灯、课时02 读按键是同一个套路，分三步走：
//     ① 开时钟：USART1 挂在 APB2，TX/RX 引脚在 GPIOA
//     ② 配引脚：PA9 = TX 复用推挽输出；PA10 = RX 复用输入
//     ③ 配参数：波特率、数据位、停止位、校验位、流控、收发方向
// ------------------------------------------------------------------------------
static void UART1_Init(u32 bound)
{
    GPIO_InitTypeDef GPIO_Initure;

    /* ① 开时钟（不开时钟，后面写寄存器全部无效，而且不报错------课时01 踩过的坑） */
    __HAL_RCC_GPIOA_CLK_ENABLE();               // PA9 / PA10 在 GPIOA
    __HAL_RCC_USART1_CLK_ENABLE();              // USART1 自己
    __HAL_RCC_AFIO_CLK_ENABLE();                // STM32F1 的复用功能要经过 AFIO

    /* ② 配引脚：把 PA9、PA10 交给 USART1 去管 */
    GPIO_Initure.Pin   = GPIO_PIN_9;            // PA9 = TX
    GPIO_Initure.Mode  = GPIO_MODE_AF_PP;       // 复用推挽输出：引脚交给外设去拉
    GPIO_Initure.Pull  = GPIO_PULLUP;           // 上拉
    GPIO_Initure.Speed = GPIO_SPEED_FREQ_HIGH;  // 高速
    HAL_GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_Initure);

    GPIO_Initure.Pin  = GPIO_PIN_10;            // PA10 = RX
    GPIO_Initure.Mode = GPIO_MODE_AF_INPUT;     // 复用输入
    HAL_GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_Initure);

    /* ③ 配参数：两边必须一模一样，否则收到的全是乱码 */
    UART1_Handler.Instance        = USART1;                 // 用串口 1
    UART1_Handler.Init.BaudRate   = bound;                  // 波特率：115200
    UART1_Handler.Init.WordLength = UART_WORDLENGTH_8B;     // 8 位数据位
    UART1_Handler.Init.StopBits   = UART_STOPBITS_1;        // 1 位停止位
    UART1_Handler.Init.Parity     = UART_PARITY_NONE;       // 无校验
    UART1_Handler.Init.HwFlowCtl  = UART_HWCONTROL_NONE;    // 无硬件流控
    UART1_Handler.Init.Mode       = UART_MODE_TX_RX;        // 收发都开
    HAL_UART_Init(&UART1_Handler);                          // 真正把上面参数写进寄存器

#if (APP_MODE == 2)
    /* ④ 模式 2 要用中断收数据：先给 NVIC 排优先级并放行，再启动一次"收 1 字节" */
    HAL_NVIC_SetPriority(USART1_IRQn, 3, 3);                // 抢占 3、子 3（数值越大优先级越低）
    HAL_NVIC_EnableIRQ(USART1_IRQn);                        // 放行 USART1 中断通道
    HAL_UART_Receive_IT(&UART1_Handler, aRxBuffer, RXBUFFERSIZE);  // 开一块 1 字节的地，等数据上门
#endif
}

#if (APP_MODE == 2)
// ------------------------------------------------------------------------------
// 模式 2：命令帧格式（定长 2 字节；串口助手要勾"十六进制发送"）
//     第 1 字节：哪个 LED，0x00~0x07 → DS0~DS7
//     第 2 字节：亮还是灭，0x00 = 灭，0x01 = 亮
// 例：发 "00 01" → DS0 亮；发 "03 00" → DS3 灭
// ------------------------------------------------------------------------------
static u8 frame[2];                             // 攒命令用的 2 字节小缓冲
static u8 fidx = 0;                             // 已经攒了几个字节（0 或 1）

// 点亮/熄灭第 n 个灯（PC0~PC7，本板低电平点亮）
static void led_set(u8 n, u8 on)
{
    HAL_GPIO_WritePin(GPIOC, (uint16_t)(1U << n), on ? GPIO_PIN_RESET : GPIO_PIN_SET);
}

// USART1 中断入口：向量表按这个名字找它（课时02 的中断入口也是写在 main.c 里）
void USART1_IRQHandler(void)
{
    HAL_UART_IRQHandler(&UART1_Handler);        // HAL 负责清标志位，再调下面的回调
}

// 收完 1 个字节进这里（HAL 里的弱函数，我们在 main.c 重写一份）
void HAL_UART_RxCpltCallback(UART_HandleTypeDef *huart)
{
    u8 ch = aRxBuffer[0];                       // 这一次收到的那个字节

    if (fidx == 0)                              // 正在等"灯号"
    {
        if (ch <= 7)                            // 合法的灯号：收下，接着等"亮/灭"
        {
            frame[0] = ch;
            fidx = 1;
        }
    }
    else                                        // 正在等"亮/灭"
    {
        if (ch <= 1)                            // 合法的开关值：命令成立，执行
        {
            frame[1] = ch;
            led_set(frame[0], ch);
            fidx = 0;
        }
        else if (ch <= 7)                       // 不像开关值、倒像新的灯号：拿它重新起一帧
        {
            frame[0] = ch;
            fidx = 1;
        }
        else                                    // 都不是：整帧作废，重新等
        {
            fidx = 0;
        }
    }

    HAL_UART_Receive_IT(huart, aRxBuffer, RXBUFFERSIZE);  // 重新开一次接收，等下一个字节
}
#endif

int main(void)
{
    u16 times = 0;                              // 模式 1 用的打印计数

    HAL_Init();                                 // 初始化 HAL 库：顺带配好 1ms 时基
    Stm32_Clock_Init(RCC_PLL_MUL9);             // 系统时钟：倍频到 72MHz
    delay_init(72);                             // 初始化延时函数
    LED_Init();                                 // 初始化 8 个 LED（PC0~PC7），上电默认全灭
    UART1_Init(115200);                         // 初始化串口 1：115200-8-N-1

#if (APP_MODE == 1)
    /* ==================== 模式 1：调试打印（本课主讲） ====================
       串口助手：选对 COM 口、波特率 115200、数据位 8、停止位 1、无校验
       现象：上电打印两行欢迎语，之后每 500ms 打印一行 "运行中... count = n"，
             同时 DS0 每 500ms 翻转一次（LED 心跳，说明程序在跑） */
    printf("\r\n");
    printf("嵌入式技术应用设计实训 | 课时03 串口通信\r\n");
    printf("模式 1：printf 调试打印（115200-8-N-1）\r\n");
    printf("\r\n");

    while (1)
    {
        printf("运行中... count = %d\r\n", times++);   // printf → fputc → uart_putc，同一条路
        LED0 = !LED0;                                   // LED 心跳
        delay_ms(500);
    }

#elif (APP_MODE == 2)
    /* ==================== 模式 2：二进制收发（实验三的基础） ==================
       串口助手：选对 COM 口、115200，并勾上"十六进制发送"
       现象：上电 8 个灯全亮 0.3 秒再全灭（自检：程序在跑、8 路灯都好），
             之后安静等命令：发 "00 01" → DS0 亮，发 "00 00" → DS0 灭 */
    HAL_GPIO_WritePin(GPIOC, (uint16_t)0x00FF, GPIO_PIN_RESET);   // 8 个灯全亮
    delay_ms(300);
    HAL_GPIO_WritePin(GPIOC, (uint16_t)0x00FF, GPIO_PIN_SET);     // 8 个灯全灭

    while (1)
    {
        /* 什么都不用做：命令一字节一字节地来，中断里把两个字节攒齐就改灯
           （这就是中断的好处------CPU 不用一直盯着串口，课时02 已经体会过一次） */
    }
#endif
}

代码里最值得盯住的 4 处

位置 为什么这么写
UART1_Init() 里的三步 开时钟 → 配 PA9/PA10 复用 → 配 115200-8-N-1；和课时01 点灯同一个套路，看得见
uart_putc() 里的 while ((USART1->SR & 0x40) == 0); 等 TC（发送完成）再写 DR；printf 和 uart_send() 都走它，全课只有这一条发送路
HAL_UART_RxCpltCallback() 里的三行判断 灯号合法才收下、开关值合法才执行、不合法就丢掉重来------这就是"2 字节协议"的全部逻辑
while (1) { } 空着的主循环（模式 2） 中断把主循环解放了：命令一来就进中断改灯，CPU 不用盯着串口（课时02 的思想复用）

三、实验操作与现象

3.1 接线与操作步骤

本课不用接杜邦线 ：USART1 的 TX/RX 在板上已经连到板载 ST-Link 了，你只要插上板子的 USB 线------下载和串口共用这一根线。

设备 接到哪 说明
板载 ST-Link（下载 + 串口一体） 板上标着 ST-Link 的 USB 口 → 电脑 USB 口 一根线管两件事：下载程序 + 串口收发；设备管理器 → 端口里就是 STMicroelectronics STLink Virtual COM Port (COMx)
板上的 SWD 排针 （本课程不接） 备用口：只有换外接 下载器时才接 SWDIO / SWCLK / GND

操作步骤（照着做就能跑）：

  1. 插上板子 USB 线、记下 COM 号 ：板载 ST-Link 的驱动在课时00 已经装好（没装就装一次 ST-Link 驱动）；把板子上标着 ST-Link 的 USB 口用 USB 线连到电脑，打开 设备管理器 → 端口(COM 和 LPT)，看到 STMicroelectronics STLink Virtual COM Port (COMx) 就对了，把 x 记下来

    图注：设备管理器里能看到 STLink Virtual COM Port 及其 COM 号（截图待补）
  2. Keil 打开工程 ：课时文档/代码/课时03-串口通信：USART 收发与 printf/串口通信实验/USER/UART.uvprojx；Options for Target → Debug 选 ST-Link Debugger；再到 Options for Target → Target 确认勾上了 Use MicroLIB （没勾，模式 1 的 printf 不会出声）
  3. 选模式 ：打开 SYSTEM/usart/usart.h，把开头的 #define APP_MODE 改成 1（调试打印）或 2（二进制收发）
  4. 编译下载 ：Build（F7）确认 0 Error(s), 0 Warning(s) → Download（F8）确认 Programming Done. Verify OK.
  5. 串口助手连上 ：打开串口助手（正点原子 XCOM 或任意串口调试助手），选第 1 步记下的那个 COM 号 ，波特率 115200、数据位 8、停止位 1、校验 无、流控 无，打开串口
  6. 按复位键看现象：对照 3.2 的现象逐条核对；模式 1 用"文本"方式看，模式 2 勾上"十六进制发送"

串口助手怎么设（两种模式对照，这是本课最容易翻车的地方）

模式 1 调试打印 模式 2 二进制收发
显示方式 文本（ASCII） 看十六进制（HEX）
发送区 不用发（板子只打印） 勾"十六进制发送" ，输入 0001 或 00 01
常见错误 没勾 Use MicroLIB → 一个字都没有 没勾 HEX → 00 01 被当成 4 个字符 0 0 空格 0 1，灯不动

3.2 观察到的现象

本课现象以随课视频演示为准（视频里会把两个模式连着跑一遍），文档不逐条配截图；你自己做完请拍一张或录一段，作为提交物。

APP_MODE 看到什么算成功 怎么核对
1 调试打印（默认） 上电后串口助手里先出现两行欢迎语，随后每 500 ms 出现一行 运行中... count = 0、= 1、= 2......；同时板上 DS0 每 500 ms 翻转一次 计数连续递增不跳号 ；波特率选错时是一屏乱码（����），不是没有输出
2 二进制收发 上电时 8 个灯全亮 0.3 秒再全灭 ；勾 HEX 发 00 01 → DS0 亮 ；发 00 00 → DS0 灭 ；发 03 01 → DS3 亮 灯号与命令一一对上 ；发非法数据（如 09 01、00 05）灯不动；其它灯保持原状态

图注：模式 1，串口助手里 count 一行行递增

图注：模式 2，十六进制发送 00 01 后 DS0 亮

看不到现象怎么办（按最可能的顺序查）：

现象 最可能的原因 怎么处理
串口助手一个字都没有 ① 没勾 Use MicroLIB ② COM 口选错 ③ 波特率选错 ④ 串口没"打开" 先确认勾了 MicroLIB，再逐条对 COM 号和 115200-8-N-1，最后点"打开串口"
有一屏乱码（�����） 两边波特率或数据格式不一致 串口助手改成 115200 / 8 / 1 / 无校验 / 无流控
设备管理器里没有 COM 口 板载 ST-Link 驱动没装 / USB 线只能充电、不带数据 装 ST-Link 驱动；换一根能传数据的 USB 线，并确认插在板子标着 ST-Link 的那个 USB 口上
模式 2 发命令灯不动 没勾"十六进制发送" 勾上 HEX，重新发 00 01（发的是 2 个字节，不是 4 个字符）
模式 2 只有第一次能点灯 忘了重新"武装"接收（HAL_UART_Receive_IT 只在 UART1_Init 里开了一次） 确认 HAL_UART_RxCpltCallback() 最后一行有重新调用 HAL_UART_Receive_IT()
改了 APP_MODE 却没变化 只保存没重新编译下载 Build（F7）+ Download（F8），再按复位

执行前后对比（改一个数，看一眼差别）

操作 改之前 改之后
模式 1：把 UART1_Init(115200) 改成 UART1_Init(9600)，串口助手仍设 115200 一屏正常文字 一屏乱码------这就是"两边节拍必须一致"的直观证据
模式 2：把 #define APP_MODE 从 2 改成 1 发 HEX 命令能点灯 变成打印文本，串口助手要切回文本方式看

四、学生练习

课堂上按顺序做，一条一条改、一条一条看现象：

编号 任务 提示 预期结果
P3.1 亲眼看"节拍必须一致" 模式 1 里把 UART1_Init(115200) 改成 UART1_Init(9600)，串口助手仍设 115200；再把串口助手也改成 9600 第一次一屏乱码；两边都改成 9600 后恢复正常
P3.2 打印自己的信息 在模式 1 的欢迎语里换成自己的名字/学号，再加一行 printf 打印专业班级 上电就在串口助手里看到自己的信息
P3.3 同一数值两种格式 加一行 printf("count=%d, HEX=%02X\r\n", times, times); 十进制与十六进制并排打印，%02X 能补前导 0
P3.4 点亮指定的灯 模式 2 里依次发 00 01、07 01、03 01、03 00 DS0、DS7、DS3 依次亮起，DS3 再灭，其它灯一直不受影响
P3.5 亲眼看"少一句就废" 把 HAL_UART_RxCpltCallback() 最后那句 HAL_UART_Receive_IT(...) 注释掉，重新下载 只能点一次灯，之后再发命令没反应------这就是"只收一次的坑"
P3.6 挑战：加一条"全部灯"命令 自己约定：byte0 = 0xFF 表示"全部灯"，byte1 决定亮灭；在回调里循环调用 led_set(i, on) 发 FF 01 八个灯全亮，发 FF 00 全灭

五、大作业（实验三：串口命令控制 8LED）

本作业对应课程大纲里的实验三「串口命令控制 8LED」，当堂完成、当堂验收；做不完的课后接着做，下次课开课先收。

5.1 任务书

把课上模式 2 的"2 字节点一个灯"，做成一个能用二进制命令完整控制 8 个 LED 的小程序：

  1. 必须用 APP_MODE 2（二进制方式）实现；不许改成发字符串命令 （如 LED0 ON）。理由要能说出来：定长帧不用解析字符串，上位机也好写
  2. 命令帧固定 2 字节：[灯号][亮灭]------灯号 0x00~0x07 对应 DS0~DS7，亮灭 0x00 = 灭、0x01 = 亮；上电时 8 个灯全灭
  3. 命令只影响指定的那一个灯 ：DS3 亮着的时候发 00 01，DS3 不能受影响
  4. 收到不合法数据（灯号 > 7、亮灭 > 1）不许死机、不许错乱：丢弃这一帧；能当新帧头就重新起帧
  5. 保留唯一的发送出口 uart_send() ：代码里不许再出现 HAL_UART_Transmit(...) 裸调用，也不许在回调里直接写 GPIOx 寄存器来点灯（统一走 led_set()）
  6. 编译输出 0 Error(s), 0 Warning(s)
  7. 加分项 （任选，做几项算几项）：
    • 命令非法时回一个字节 0xEE，上位机就知道"这条没被接受"（握手/应答的入门）
    • byte0 = 0xFF 表示"全部灯"：FF 01 全亮、FF 00 全灭
    • byte1 = 0x02 表示"取反"：03 02 把 DS3 在亮/灭之间翻一次
  8. 挑战项 ：把帧升级成 0xAA + 灯号 + 亮灭 + 校验和（4 字节），并写一句"为什么真实协议要有帧头和校验"

5.2 分步提示

  1. 先把基础版跑通 ：APP_MODE 改成 2，串口助手勾 HEX，发 00 01 看 DS0 亮------跑不通就别往下做
  2. 改灯统一走 led_set()：所有点灯动作都调用它，回调里只负责"解析命令"，不碰寄存器
  3. 把判断写清楚 ：fidx == 0 时只认 0x00~0x07；fidx == 1 时只认 0x00/0x01，其余按 5.1 第 4 条处理
  4. 加分项一件一件加 ：先加 0xEE 回码（用 uart_send() 发 1 字节），再加 0xFF 全部灯，最后加取反
  5. 挑战项：在现有 2 字节前面加帧头、后面加校验和（校验和可以就用"三个字节相加取低 8 位"），收到帧头才开始收数据，校验不对就丢弃

5.3 现象与验收标准

验收项 标准
单灯控制 上电全灭；发 00 01 → DS0 亮；发 00 00 → DS0 灭
8 路都能控 对 DS0~DS7 各发一次"亮"、一次"灭"，8 个灯都能正确响应
互不影响 让 DS2 与 DS5 同时亮着，再发 07 01，DS2、DS5 不受影响
非法数据 发 09 01、00 05、FF FF，灯不动、程序不卡死，之后继续发合法命令仍然有效
代码结构 只有 uart_send() 一个发送出口；点灯只经 led_set()
编译下载 0 Error(s), 0 Warning(s)；Programming Done. Verify OK.
加分/挑战 按 5.1 第 7、8 条逐项现场演示（做多少算多少）

5.4 提交物

  • 代码：课时文档/代码/课时03-串口通信：USART 收发与 printf/串口通信实验/USER/main.c 与 SYSTEM/usart/usart.c、usart.h
  • 现象：一段 20 秒以内的视频（依次发 00 01、07 01、03 01、03 00，让老师看清"哪个命令亮哪个灯"），或按命令前后的两张照片
  • 一句话说明："为什么本课的命令用 2 个字节的二进制，而不是发 LED0 ON 这样的字符串？"

六、本节小结与下节预告

本节把串口这条线完整走了一遍：先把它的底子认清------两根线（TX/RX）+ 一个共同节拍（115200-8-N-1，两边必须一致） ；再把 USART1 的初始化一步步写在 main.c 里 （开时钟 → PA9/PA10 复用 → 配参数 → 中断），不再是黑盒；然后用 printf 重定向 （fputc + MicroLIB）把调试信息打到电脑上，并顺手把厂家例程里"printf 走裸寄存器、回显走 HAL_UART_Transmit"的两条发送路，收拢成唯一的 uart_send()；最后用 APP_MODE 2 体验了二进制命令帧 ------2 个字节（灯号 + 亮灭）就能控制 8 个灯。三句话记住本课：两边参数一致才有话说 ；printf 的出口是 fputc ；一个串口，同一时刻只留一条路。下节进入定时器：用硬件定时中断把"计时"做准（TIM + 中断），也顺便给串口打印加上精确的时间戳。

本节函数与宏速查

名称 一句话作用
UART1_Init(bound) 串口 1 初始化（本课写在 main.c）：开时钟 → 配 PA9/PA10 → 配 8N1 →（模式 2）开中断
HAL_UART_Init(&UART1_Handler) 把 Init.* 里的参数真正写进 USART1 寄存器
HAL_UART_Receive_IT(huart, buf, n) 以中断方式启动一次接收；每收完一次都要再调一次，否则只收一次
HAL_UART_IRQHandler(&UART1_Handler) HAL 的中断处理：清标志位，再转回调
HAL_UART_RxCpltCallback(huart) 弱函数，收满一次数据后被调用；本课的"解析命令"就写在这里
uart_send(buf, len) 本课唯一的发送出口 ，printf 和命令帧都走它
uart_putc(ch)（static） 最底层发 1 字节：等 TC 再写 USART1->DR
fputc(ch, f) printf 的出口；重写它，printf 才走串口
printf("...%d...") 格式化打印；Keil 里必须勾 Use MicroLIB 才出声
APP_MODE 演示模式开关：1 调试打印 / 2 二进制收发
USART1->SR & 0x40 读状态寄存器 bit6（TC，发送完成）
GPIO_MODE_AF_PP / GPIO_MODE_AF_INPUT 把引脚交给外设：复用推挽输出 / 复用输入

附录

A. 怎么编译下载（照着做就能跑）

text 复制代码 
1. 接线：板子上标着 ST-Link 的 USB 口用一根线插电脑（供电 + 下载 + 串口都走它，不用杜邦线、不用装串口驱动）
2. Keil 打开：课时文档/代码/课时03-串口通信：USART 收发与 printf/串口通信实验/USER/UART.uvprojx
3. 选下载器：Options for Target → Debug → ST-Link Debugger → OK
4. 勾 MicroLIB：Options for Target → Target → 勾 Use MicroLIB（模式 1 的 printf 才出声）
5. 选模式  ：SYSTEM/usart/usart.h 开头 #define APP_MODE 1（调试打印）或 2（二进制收发）
6. 编译    ：Build（F7），确认 0 Error(s), 0 Warning(s)
7. 下载    ：Download（F8），确认 Programming Done. Verify OK.
8. 看现象  ：串口助手选对 COM 口、115200-8-N-1 并打开串口，按 RST：
             模式 1 → 一行行打印 count；模式 2 → 勾 HEX 发 00 01，DS0 亮

B. 本课代码

本课只改两个文件（完整代码见 2.2 节）。工程里其余文件都是厂家例程现成的，不用动：

文件 作用
USER/UART.uvprojx Keil 工程文件（用 Keil 打开这个）
USER/main.c 本课自写：UART1_Init()（串口初始化）、USART1_IRQHandler()、HAL_UART_RxCpltCallback()、两个模式的 main()
SYSTEM/usart/usart.h APP_MODE 开关、uart_send() 声明、UART1_Handler / aRxBuffer 外部声明
SYSTEM/usart/usart.c 串口底层：uart_putc()、uart_send()、模式 1 的 fputc() 重定向
USER/stm32f1xx_it.c 中断入口的"官方住处"；本课把 USART1_IRQHandler 写在 main.c（与课时02 一致），这个文件不用改
HARDWARE/LED/led.c、led.h LED 驱动：PC0~PC7 配成推挽输出并上电置全灭，提供 LED0~LED7 宏
SYSTEM/sys、SYSTEM/delay 时钟配置、SysTick 延时（delay_ms）
HALLIB/、CORE/ STM32F1 HAL 库与启动文件
OBJ/ 编译输出（已加入 .gitignore，不进仓库）

C. 串口参数与命令速查（贴在板子旁边用）

项目 值
串口 USART1
引脚 PA9 = TX 、PA10 = RX（板上已连到板载 ST-Link 的虚拟串口，下载与串口共用一根 USB 线）
上位机串口 设备管理器 → 端口 → STMicroelectronics STLink Virtual COM Port (COMx)（就是下载器那根 USB 线带出来的）
参数 115200 / 8 位数据 / 1 位停止 / 无校验 / 无流控
模式 1 上位机设置 文本（ASCII）方式看；板子只打印，不用发
模式 2 上位机设置 勾"十六进制发送"，发 2 个字节
模式 2 命令示例 00 01 → DS0 亮；00 00 → DS0 灭；03 01 → DS3 亮；07 01 → DS7 亮
非法命令 灯号 > 0x07 或亮灭 > 0x01：丢弃这一帧，灯不动
Keil 必须勾 Options for Target → Target → Use MicroLIB（模式 1 的 printf 才出声）

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