USART 概念篇——从高低电平到数据帧

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文章目录

引言
- 一、通信的方式
- - [1.1 串行还是并行](#1.1 串行还是并行)
  - [1.2 有没有时钟线](#1.2 有没有时钟线)
  - [1.3 单工、半双工、全双工](#1.3 单工、半双工、全双工)
  - [1.4 一对一](#1.4 一对一)
- 二、波特率与比特率
- - [2.1 比特率](#2.1 比特率)
  - [2.2 波特率与码元](#2.2 波特率与码元)
  - [2.3 串口里两者相等](#2.3 串口里两者相等)
- 三、帧格式
- - [3.1 空闲状态](#3.1 空闲状态)
  - [3.2 起始位](#3.2 起始位)
  - [3.3 数据位](#3.3 数据位)
  - [3.4 校验位](#3.4 校验位)
  - [3.5 停止位](#3.5 停止位)
  - [3.6 0x55 的完整一帧](#3.6 0x55 的完整一帧)
- 四、接线
- 五、移位寄存器与标志位
- - [5.1 数据的搬运路线](#5.1 数据的搬运路线)
  - [5.2 覆盖问题与发送标志位](#5.2 覆盖问题与发送标志位)
  - [5.3 接收标志位 RXNE](#5.3 接收标志位 RXNE)
  - [5.4 TDR 与 RDR 同一个地址](#5.4 TDR 与 RDR 同一个地址)
- 六、收发函数的阻塞语义
- - [6.1 阻塞是怎么个阻塞法](#6.1 阻塞是怎么个阻塞法)
  - [6.2 两个收发函数](#6.2 两个收发函数)
  - [6.3 句柄是什么](#6.3 句柄是什么)
- [七、STM32 里的 USART](#七、STM32 里的 USART)
- - [7.1 五个串口与两条总线](#7.1 五个串口与两条总线)
  - [7.2 寄存器与地址](#7.2 寄存器与地址)
  - [7.3 USART 与 UART](#7.3 USART 与 UART)

引言

点灯、按键、时钟都齐了，芯片该跟别人说话了。

芯片对外的引脚，一次只能给出一个电平。要传一个字节，8 个比特，最直接的办法是并排拉 8 根线一次发完，这就是并行通信。但单片机世界里主导一切的是另一条路：一根线，把 8 个比特按时间顺序一位一位排着发，这就是串行通信

一、通信的方式

1.1 串行还是并行

把一个字节从 A 送到 B，物理上就两种走法。

并行通信一次上多条数据线（8 条、16 条、32 条），一个字节的所有位同时出发，一人一条线。听着痛快，毛病也实在：

成本高：线多，PCB 布线难，接口插件贵；
速率受限：所有数据位必须同时有效才能被正确采样，物理上做不到绝对同步，时钟只能放慢，给走得慢的信号留时间；
距离短：线与线之间串扰严重，基本只能板级通信；
扩展性差：16 位升 32 位，连线得重铺。

串行通信只用一条（或一对）数据线，字节的各个位按时间顺序一比特接一比特地走。线少了，每一位反而可以走得更干脆、传得更远。STM32 世界里的主流通信技术，SPI、I2C、CAN、USART，全是串行的。

注意：串行不等于 USART 串口。串口只是串行通信的一种具体实现，这个系列要写的正是它。

1.2 有没有时钟线

同步与异步的分界线就一条：有没有专门的时钟线。

同步通信里，发送方额外送出一根时钟线，接收方在时钟的边沿上采数据，节奏由时钟统一指挥：

text 复制代码

同步通信：时钟线统一节拍
  CLK    _|-|_|-|_|-|_|-|        在时钟边沿处采样
  DATA    1  0  1  1  0  0       每个边沿读一位

异步通信没有这根线，接收方不知道对方什么时候发、什么节奏。它靠两个约定补上：一是约定好每一位占用多长时间，这就是波特率；二是约定好从什么信号开始数、一共数多少位，这就是帧格式。USART 没有时钟线，是异步通信。

1.3 单工、半双工、全双工

按传输方向分三档：

单工：只能一个方向，A 到 B，B 说不了话；
半双工：两个方向都行，但同一时刻只能走一个。就是人正常聊天，我说你听，你说我听；
全双工：两个方向同时进行。就是两个人吵架，你说你的，我说我的，互不耽误。

USART 有独立的 Tx、Rx 两条信号线，收发同时进行，是全双工。但别把「串口」和「全双工」绑死：基于串口扩展出来的 RS-485 就是半双工。

1.4 一对一

串口单元只跟另一个串口单元说话，一个串口对多个设备的场面它撑不起来，那是 I2C、SPI 的舞台。而且双方没有主从，地位对等：规则一样，谁都能先开口。这点跟 I2C、SPI 那种主从架构很不一样。

二、波特率与比特率

2.1 比特率

比特率是每秒钟传送的比特个数，也叫传信率，单位 bit/s（也写 bps）。家里装的千兆带宽，那个「兆」就是它：1000 Mbit/s，意思是网口每秒最多收发 1000×10^6 个比特。

有个容易踩的小坑：传输速率里的 K、M、G 按十进制走（10^3、106、10^9），存储容量里的 K、M、G 才按 1024 走。1000 Mbit 的宽带换算成字节，是 1000 Mbit ÷ 8 = 125 MB/s，这里的 M 是十进制的 10^6。

2.2 波特率与码元

波特率衡量的是另一件事：每秒钟传送的码元个数，也叫传码率，单位波特（Baud）。

码元（也叫符号）是通信系统里携带数据信息的信号单元，一次可以只携带 1 个比特，也可以携带多个。打个比方：张三给李四扔球，约好四种颜色各代表一个意思，蓝 00、绿 01、黄 10、红 11。每扔一个球，就是发送一次信息，一个球就是一个码元；球的颜色不同，载荷不同，一个球顶两个比特。张三每秒扔一个球，波特率是 1 Baud，比特率却是 2 bit/s。

两个率的关系一句话：比特率 = 波特率 × 每个码元携带的比特数。

2.3 串口里两者相等

USART 传信号用的是高低电平两种状态，一个码元要么高要么低，只携带 1 个比特，属于 2 进制码元。这时比特率 = 波特率，所以串口工具里把波特率写成 9600 b/s、115200 b/s，单位不算严谨，大家也都能懂。

串口最常用的波特率就是 9600 和 115200。拿 115200 算一笔账：按 1 起始位 + 8 数据位 + 无校验 + 1 停止位的帧格式，一帧 10 位，每秒能传 115200 ÷ 10 = 11520 个字节。不算快，但对调试打印、传感器数据这个量级绰绰有余。

三、帧格式

波特率解决了快慢的问题，还剩一件事：接收方怎么知道数据开始发了、发了多少、什么时候结束。双方约定的这套格式叫帧格式，通信领域也叫协议，单片机圈更爱叫帧格式。

一帧的标准结构：空闲状态 → 起始位 → 数据位 → 校验位 → 停止位，然后回到空闲。

text 复制代码

空闲(高) -> 起始(低) -> b0 b1 ... b7 低位在前 -> 校验(可选) -> 停止(高) -> 回到空闲

其中空闲、起始、停止三段任何一帧都必须有；数据位长度可选 8 或 9，校验位可选有无。可变的不可怕，只要双方配成一样，各自都能解对。

3.1 空闲状态

没有数据传输时，线路保持逻辑高电平。这个默认高不是随便挑的：起始位要靠拉低来标记，线路平时就得停在高处，才给下一帧留出「从高变低」的动作空间。

3.2 起始位

起始位就是那个下降沿（1 变 0），只持续 1 个比特的时间，作用是告诉接收端：新的一帧来了。这是接收端做比特同步的关键信号，从这一刻起，接收端按波特率定好的时间格，一格一格往后数。

3.3 数据位

STM32 的数据位可选 8 位或 9 位，最常用 8 位，正好一个字节。

发送顺序是低位在前（LSB first）：最低有效位最先出门，然后次低位，最后是最高有效位。注意两个缩写：LSB 是 Least Significant Bit，最低有效位，二进制数里最右边那位；MSB 是 Most Significant Bit，最高有效位，最左边那位。

要发 0x55（0101 0101），线上依序出现的是 1、0、1、0、1、0、1、0。顺序别想反了，这是串口新手常栽的一个坑。

3.4 校验位

校验位是个简单的错误检测机制，可选无校验、奇校验、偶校验：

无校验：不发这一位；
奇校验：让数据位加校验位里 1 的总个数为奇数；
偶校验：让 1 的总个数为偶数。

比如数据 11110000 里有 4 个 1：配奇校验就补 1，凑成 5 个；配偶校验就补 0，保持 4 个。

这招的局限也要说清：它只能检测奇数个比特翻转，偶数个翻转它视而不见，而且发现了也没法纠正。拿偶校验想：一袋苹果必须凑偶数个，路上坏 1 个，收货一数变奇数，立刻喊停；路上要是坏了 2 个，总数还是偶数，神不知鬼不觉。

3.5 停止位

停止位标记一帧的结束，固定高电平，可以配 1 位、1.5 位或 2 位，指的是高电平保持多少个比特时间。结束后线路回到空闲。

为什么结束一定要拉高？假如没有停止位，线路电平就停在数据最后一位的值上，高低都有可能。下一帧的起始位靠下降沿标记，前一个电平要是本来就低，这个下降沿就不成立了。强制拉高保证每帧结束到下帧开始之间，线路上至少有 1 个比特周期的高电平，下一帧的起始动作永远做得出来。

3.6 0x55 的完整一帧

发送 0x55（0101 0101），配 1 起始 + 8 数据 + 奇校验 + 1 停止，一共 11 位。

0x55 里有 4 个 1，奇校验补 1。数据位低位在前，线上依次是 1、0、1、0、1、0、1、0，跟着校验位 1，前后各包上拉低的起始位和拉高的停止位。接收方从下降沿开始按时间格逐位采样，数满约定的 11 位，取出中间 8 位，0x55 就到了。

注意：帧是按字节独立封的。连发 5 个字节就是 5 个帧，每个字节都带自己的起始位和停止位，不是一个大火车皮装 5 个字节。

四、接线

text 复制代码

  MCU                                串口设备
+------------+                      +------------+
|         TX | -------------------> | RX         |
|            |                      |            |
|   USART    |                      |  串口模块   |
|            |                      |            |
|         RX | <------------------- | TX         |
|            |                      |            |
|        GND | -------------------- | GND        |
+------------+                      +------------+

Tx 接对端 Rx，Rx 接对端 Tx，交叉相连，再接上公共地。发送方发 1 就输出高电平，对面 Rx 上出现高电平；发 0 出低，对面读低。数据就是这样一位一位传过去的。

Tx/Rx 里的 x，有一种好记的说法是它长得就像两根线交叉的样子。

MCU 引脚上跑的是 TTL 电平，两边都是芯片的话直接对连就行。引脚本身还是 GPIO 复用出来的：配置串口的时候，对应的 GPIO 也得配成复用功能，信号才能从引脚出去。

五、移位寄存器与标志位

5.1 数据的搬运路线

手册里的 USART 功能框图，我们可以简化一下：

text 复制代码

发送：用户写入              硬件搬运                硬件移位
代码 --------> TDR ----------> 发送移位寄存器 --------> TX 引脚
                 |
                 +-- TXE 置 1：TDR 空了，可以写下一个

接收：RX 引脚
 --------> 接收移位寄存器 ----------> RDR ----------> 用户读取
             凑满约定的位数              |
                                       +-- RXNE 置 1：RDR 有数据可读

发送时，用户把字节写进 TDR（Transmit Data Register，发送数据寄存器），USART 硬件把它整批搬进发送移位寄存器，再按波特率的节拍把位一个个从 Tx 引脚送出去。接收是镜像过程：Rx 引脚上的位逐个移进接收移位寄存器，凑满约定的位数，整批搬进 RDR（Receive Data Register，接收数据寄存器），等用户来读。

两个移位寄存器在 USART 模块内部，用户看不见也摸不着。对用户来说，除了 TDR 和 RDR，其余全是黑盒，搬来移去都是 USART 自己干完的。

5.2 覆盖问题与发送标志位

发送不是一步到位的：TDR 里的数据搬进移位寄存器需要时间，移位寄存器一位一位发出去也需要时间。要是发送还没完，用户又往 TDR 写了一个字节呢？

USART 的真实做法是排队：只要移位寄存器空了，就把 TDR 里的数据搬过去，TDR 继续接下一个字节。但用户完全看不到这套内部调度。要是 TDR 里的字节还没被搬走，用户再往里写一个，新字节就把旧的盖了，数据就这么丢了。

所以 USART 必须把内部状态亮出来，这就是状态寄存器 USART_SR。发送侧先看两个标志位：

TXE（Transmit data register empty）：TDR 里的数据被硬件搬进移位寄存器后置 1，意思是「我空了，可以写下一个」。对 USART_DR 的写操作会把它自动清 0；
TC（Transmission complete）：一帧发完、且 TXE 已经是 1 时置 1，意思是移位寄存器和 TDR 都空了，数据真的全部发完。

两个标志位分工明确：TXE 回答「还能不能再写」，TC 回答「是不是彻底发完了」。该盯哪个，取决于你想问哪个问题。连发三帧时它们怎么变化，手册给过一张时序图：

5.3 接收标志位 RXNE

接收侧对应的是 RXNE（Read data register not empty）：接收移位寄存器的数据搬进 RDR 后硬件置 1，用户读 USART_DR 会把它清 0；RDR 没数据时它是 0。

它的用法跟 TXE 正好反着：TXE 等它变 1 好去写，RXNE 等它变 1 好去读。

还有一条手册明说的规矩：RXNE 还没清零时又来一个字节，就是溢出错误，新来的数据丢，RDR 里保住的是上一个数据。所以接收不能攒着不读。

5.4 TDR 与 RDR 同一个地址

手册的寄存器表里，USART_DR 这个名字底下藏着两个物理寄存器，发送用的 TDR 和接收用的 RDR，两个被映射到同一个地址。往这个地址写，数据落进 TDR；从这个地址读，出来的是 RDR。

具体怎么做到的，手册没有正面披露。一个说得通的推测是硬件按操作方向区分：写访问落 TDR，读访问落 RDR，这是我标明的推测，不是手册原文。从使用者角度，记住「写就是发、读就是收」就够了。

六、收发函数的阻塞语义

6.1 阻塞是怎么个阻塞法

阻塞就是程序停在原地反复查一个条件，查到为止。简单可靠，代价是 CPU 在这干等，一步不能挪。具体到收发两侧：

发送：把数据写进 TDR，然后盯 TXE，等它变 1（TDR 空了）再写下一个；全部写完再盯 TC，等它变 1，确认彻底发完。

接收：盯 RXNE，是 0 就在原地等；变 1 说明到了一个字节，读走（读的同时 RXNE 自动清 0），接着等下一个；收够个数，收工。

6.2 两个收发函数

HAL 把这套流程封装成两个函数，代码如下：

c 复制代码

HAL_StatusTypeDef HAL_UART_Transmit(UART_HandleTypeDef *huart,
                                    const uint8_t *pData,
                                    uint16_t Size, uint32_t Timeout);

HAL_StatusTypeDef HAL_UART_Receive(UART_HandleTypeDef *huart,
                                   uint8_t *pData,
                                   uint16_t Size, uint32_t Timeout);

HAL_UART_Transmit 参数说明：

huart：串口句柄，指向要用的那个串口；
pData：要发出去的数据放在哪，const 表示函数只读不改；
Size：发多少个字节；
Timeout：等标志位的耐心上限，单位 ms。

返回值：HAL_StatusTypeDef，取值 HAL_OK / HAL_ERROR / HAL_BUSY / HAL_TIMEOUT。

HAL_UART_Receive 参数说明：

huart：串口句柄；
pData：读到的数据往哪放，是输出参数；
Size：读多少个字节；
Timeout：同上。

返回值：同上。

Timeout 有三种取法：

0xFFFFFFFF（HAL 里叫 HAL_MAX_DELAY）：标志位没就绪就一直等下去，纯阻塞；
0：一次都不等，条件不满足立刻返回；
具体数值比如 1000：最多等 1000 ms，等到就继续，等不到带着超时错误返回。后两种都算非阻塞。

6.3 句柄是什么

huart 的类型是 UART_HandleTypeDef，一个把某个串口家底打包起来的结构体：寄存器基地址、波特率配置、收发状态都在里面。函数拿到句柄，就知道自己在操作哪个串口、它现在什么状态。

类比 C 语言的文件操作：fopen 返回一个 FILE*，之后的读写都带着它，不必关心文件系统内部怎么运转。句柄干的是同一件事：拿着它说话，底层细节它去操心。

七、STM32 里的 USART

7.1 五个串口与两条总线

STM32F103ZET6 内置 5 个串口模块：USART1、USART2、USART3、UART4、UART5。注意名字，前三个叫 USART（多同步功能），后两个直接叫 UART（纯异步）。表格如下：

外设	所在总线	起始地址	类型
`USART1`	`APB2`	`0x4001 3800`	通用同步/异步收发器
`USART2`	`APB1`	`0x4000 4400`	通用同步/异步收发器
`USART3`	`APB1`	`0x4000 4800`	通用同步/异步收发器
`UART4`	`APB1`	`0x4000 4C00`	通用异步收发器
`UART5`	`APB1`	`0x4000 5000`	通用异步收发器

USART1 挂在 APB2 上，吃 PCLK2 的 72 MHz；其余四个挂在 APB1 上，最高 36 MHz。RCC 篇讲的外设时钟归属在这里落了地：用哪个串口，就去使能哪条总线上的哪个串口时钟。

以最常用的 USART1 为例，它复用 PA9（TX）和 PA10（RX）两个引脚，重映射后是 PB6、PB7。

7.2 寄存器与地址

串口是片上外设，寄存器统一编址进 CPU 的地址空间，GPIO 输出篇讲过这套编址。USART1 分到 1 KB 地址空间：0x4001 3800 到 0x4001 3BFF，实际用到的只有开头一小段。访问某个寄存器 = 基址 + 偏移，表格如下：

寄存器	偏移	最终地址	干什么用
`USART_SR`	`0x00`	`0x4001 3800`	状态标志，TXE/TC/RXNE 都在这
`USART_DR`	`0x04`	`0x4001 3804`	数据，TDR/RDR 同地址
`USART_BRR`	`0x08`	`0x4001 3808`	波特率配置
`USART_CR1`	`0x0C`	`0x4001 380C`	控制位：使能、中断使能等
`USART_CR2`	`0x10`	`0x4001 3810`	控制位：停止位长度等
`USART_CR3`	`0x14`	`0x4001 3814`	控制位：DMA、硬件流控等
`USART_GTPR`	`0x18`	`0x4001 3818`	预分频与守护时间

其余四个串口同样各有 1 KB 空间、一套寄存器，偏移一致，只是基址不同。需要哪个寄存器就查哪个，不用背。

7.3 USART 与 UART

USART 比 UART 多一个 synchronous：多出来的同步模式是给串口外加一根时钟线（CK 引脚），双方按时钟节拍传数据。这个同步模式实际场景里几乎不用，忽略它，USART 就是 UART。本系列统一说 USART，因为 STM32 里挂的就是 USART。

波特率由 USART_BRR 寄存器配置，它是个分数波特率发生器，12 位整数加 4 位小数，具体怎么算，等真要上手配波特率的时候再细看。