在上一章中，我们学习了 DMA 直接存储器存取，了解了如何利用 DMA 在不占用 CPU 的情况下高效搬运数据。而数据搬运的最终目的，往往是与外部设备进行通信。在嵌入式系统中，串口（USART）是最常用、最基础的一种通信方式，无论是调试信息输出、与上位机交互，还是连接各类传感器模块，串口都扮演着至关重要的角色。本文作为 STM32 标准库学习笔记的延续，将系统讲解 USART 串口协议，从通信接口、硬件电路、电平标准等基础概念，到 USART 外设的框图、数据帧、波特率发生器等核心原理，最后通过两个完整的实例，带大家掌握串口发送与接收的实际应用。
如果觉得有收获可以为我的文章点点小赞，这将激励我创作更好的内容！谢谢！
一、USART串口协议 
1.1 通信接口
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
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
1.2 串口通信
串口是一种应用十分广泛的通讯接口，串口成本低、容易使用、通信线路简单，可实现两个设备的互相通信
单片机的串口可以使单片机与单片机、单片机与电脑、单片机与各式各样的模块互相通信，极大地扩展了单片机的应用范围，增强了单片机系统的硬件实力
1.3 硬件电路
简单双向串口通信有两根通信线（发送端TX和接收端RX）
TX与RX要交叉连接
当只需单向的数据传输时，可以只接一根通信线
当电平标准不一致时，需要加电平转换芯片
1.4 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，串口常用的电平标准有如下三种：
TTL电平：+3.3V或+5V表示1，0V表示0
RS232电平：-3~-15V表示1，+3~+15V表示0
RS485电平：两线压差+2~+6V表示1，-2~-6V表示0（差分信号）
1.5 串口参数及时序
波特率：串口通信的速率
起始位：标志一个数据帧的开始，固定为低电平
数据位：数据帧的有效载荷，1为高电平，0为低电平，低位先行
校验位：用于数据验证，根据数据位计算得来，有以下三种情况
1.无校验：存在校验位，但不使用校验位
2.奇校验：校验位会根据前面几位数据中1的数量进行置1或者置0.如果前面有奇 数个1，则校验位置0保持前面的几位数据加上校验位共有奇数个1；如果前面有 偶数个1，则校验位置1保持前面的几位数据加上校验位共有奇数个1；
3.偶校验：原理与奇校验相同，校验位会根据前面几位数据中1的数量进行置1或 者置0.如果前面有奇数个1，则校验位置1保持前面的几位数据加上校验位共有偶 数个1；如果前面有偶数个1，则校验位置0保持前面的几位数据加上校验位共有偶 数个1；
停止位：用于数据帧间隔，固定为高电平
1.6 串口时序
1.7 USART简介
USART（Universal Synchronous/Asynchronous Receiver/Transmitter）通用同步/异步收发器
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
自带波特率发生器，最高达4.5Mbits/s
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（无校验/奇校验/偶校验）
支持同步模式、硬件流控制、DMA、智能卡、IrDA、LIN
STM32F103C8T6 USART资源： USART1、 USART2、 USART3
1.8 USART框图
其中需要可以关注一下nRTS（Request To Send，是请求发送，是输出脚）与nCTS（Clear To Send，是清除发送，是输入脚）两个引脚的用法，使用这两个引脚可以有效避免因数据传输过快导致的数据覆盖、丢失问题
1.9 USART基本结构
STM32串口发送控制：当数据由数据寄存器转到移位寄存器时，会置一个TXE的标志位；
STM32串口接收控制：移完一帧数据后，数据就会统一转运到接收数据寄存器，在转移的同时，置一个RXNE标志位
USART串口数据收发：这四个寄存器在软件被整合为一个DR寄存器，写入DR时，数据走如图上面的路线，进行发送，读取DR时，数据走如图下面的路线，进行接收
1.10 数据帧
1.11 起始位侦测
1.12 数据采样
1.13 波特率发生器
发送器和接收器的波特率由波特率寄存器BRR里的DIV确定
计算公式：波特率 = f PCLK2/1 / (16 * DIV)
因为采样时 采样时钟的频率 是 采样的频率 的 16倍，所以输入时钟/DIV要等于16倍的波特率，输入时钟经DIV分频后每采样16次才完成了一个波特的采样
例如：波特率9600 = 72M / (16 * DIV)，则DIV = 72M / 9600 / 16
计算得出DIV = 468.75
1.14 数据模式
HEX模式/十六进制模式/二进制模式：以原始数据的形式显示
文本模式/字符模式：以原始数据编码后的形式显示
标准 ASCII 码对照表（ASCII 字符编码表）
1.15 USB转TTL串口模块原理图
1.16 实例一 9.1.1 串口发送
※ 初始化USART基本流程：
第一步，开启时钟，把需要用的USART和GPIO的时钟打开 ；
第二步，GPIO初始化，把TX配置成复用输出，RX配置成输入 ；
第三步，配置USART，直接使用一个结构体，就可以把这里所有的参数都配置好了；
第四步，如果你只需要发送的功能 ，就直接开启USART，初始化就结束了；如果你需要接收的功能，可能还需要配置中断，那就在开启USART之前，再加上ITConfig和NVIC的代码就行了；
得益于库函数的封装，单片机内部的各种细节问题不需要我们操心。
可能用到的库函数:
//初始化方面
void USART_DeInit(USART_TypeDef* USARTx);
void USART_Init(USART_TypeDef* USARTx, USART_InitTypeDef* USART_InitStruct);
void USART_StructInit(USART_InitTypeDef* USART_InitStruct);
//配置同步时钟输出
void USART_ClockInit(USART_TypeDef* USARTx, USART_ClockInitTypeDef* USART_ClockInitStruct);
void USART_ClockStructInit(USART_ClockInitTypeDef* USART_ClockInitStruct);
//Structlnit,结构体初始化
void DMA_StructInit(DMA_InitTypeDef* DMA_InitStruct);
//使能
void USART_Cmd(USART_TypeDef* USARTx, FunctionalState NewState);
//中断控制
void USART_ITConfig(USART_TypeDef* USARTx, uint16_t USART_IT, FunctionalState NewState);
//开启USART到DMA的触发通道
void USART_DMACmd(USART_TypeDef* USARTx, uint16_t USART_DMAReq, FunctionalState NewState);
//发送数据
void USART_SendData(USART_TypeDef* USARTx, uint16_t Data);
//接收数据
uint16_t USART_ReceiveData(USART_TypeDef* USARTx);
//标志位相关函数
FlagStatus USART_GetFlagStatus(USART_TypeDef* USARTx, uint16_t USART_FLAG);
void USART_ClearFlag(USART_TypeDef* USARTx, uint16_t USART_FLAG);
ITStatus USART_GetITStatus(USART_TypeDef* USARTx, uint16_t USART_IT);
void USART_ClearITPendingBit(USART_TypeDef* USARTx, uint16_t USART_IT);
使用串口发送/接收中文字符数据时，应该保证发送端和接收端中文的译码格式如UTF-8或是GB2312（GBK）必须相同
如果在Keil的配置选项中配置编译器使用的中文编码是UTF-8，就最好打开工程选项，在C/C++目录中，在杂项控制栏中写上--no-multibyte-chars，加上 --no-multibyte-chars 后，编译器就会把中文字符当成普通的单字节无意义字符对待，不再做严格的校验和转换，从而强行让工程编译通过。能让Keil显示出正确的汉字
Serial. c ↓
-----------------------------
cpp
#include "stm32f10x.h" // Device header
#include <stdio.h>
#include <stdarg.h>
/**
* 函 数：串口初始化
* 参 数：无
* 返 回 值：无
*/
void Serial_Init(void)
{
/*开启时钟*/
RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_USART1,ENABLE); //开启USART1的时钟
RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOA, ENABLE); //开启GPIOA的时钟
/*GPIO初始化*/
GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;
GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_AF_PP;
GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_9;
GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;
GPIO_Init(GPIOA,&GPIO_InitStructure); //将PA9引脚初始化为复用推挽输出
/*USART初始化*/
USART_InitTypeDef USART_InitStructure; //定义结构体变量
USART_InitStructure.USART_BaudRate = 9600; //波特率
USART_InitStructure.USART_HardwareFlowControl = USART_HardwareFlowControl_None; //硬件流控制，不需要
USART_InitStructure.USART_Mode = USART_Mode_Tx; //模式，选择为发送模式
USART_InitStructure.USART_Parity = USART_Parity_No; //奇偶校验，不需要
USART_InitStructure.USART_StopBits = USART_StopBits_1;//停止位，选择1位
USART_InitStructure.USART_WordLength = USART_WordLength_8b;//字长，选择8位
USART_Init(USART1,&USART_InitStructure); //将结构体变量交给USART_Init，配置USART1
/*USART使能*/
USART_Cmd(USART1,ENABLE); //使能USART1，串口开始运行
}
/**
* 函 数：串口发送一个字节
* 参 数：Byte 要发送的一个字节
* 返 回 值：无
*/
void Serial_SendByte(uint8_t Byte)
{
USART_SendData(USART1,Byte); //将字节数据写入数据寄存器，写入后USART自动生成时序波形
while(USART_GetFlagStatus(USART1,USART_FLAG_TXE) == RESET ); //等待发送完成
/*下次写入数据寄存器会自动清除发送完成标志位，故此循环后，无需清除标志位*/
}
/**
* 函 数：串口发送一个数组
* 参 数：Array 要发送数组的首地址
* 参 数：Length 要发送数组的长度
* 返 回 值：无
*/
void Serial_SendArray(uint8_t *Array,uint16_t Length)
{
uint16_t i;
for(i=0;i<Length;i++) //遍历数组
{
Serial_SendByte(Array[i]); //依次调用Serial_SendByte发送每个字节数据
}
}
/**
* 函 数：串口发送一个字符串
* 参 数：String 要发送字符串的首地址
* 返 回 值：无
*/
void Serial_SendString(char *String)
{
uint8_t i;
for(i=0;String[i] != '\0';i++)//遍历字符数组（字符串），遇到字符串结束标志位后停止
{
Serial_SendByte(String[i]); //依次调用Serial_SendByte发送每个字节数据
}
}
/**
* 函 数：次方函数（内部使用）
* 返 回 值：返回值等于X的Y次方
*/
uint32_t Serial_Pow(uint32_t X,uint32_t Y)
{
uint32_t Result = 1; //设置结果初值为1
while(Y--) //执行Y次
{
Result *= X; //将X累乘到结果
}
return Result;
}
/**
* 函 数：串口发送数字
* 参 数：Number 要发送的数字，范围：0~4294967295
* 参 数：Length 要发送数字的长度，范围：0~10
* 返 回 值：无
*/
void Serial_SendNumber(uint32_t Number,uint8_t Length)
{
uint8_t i;
for(i=0;i<Length;i++) //根据数字长度遍历数字的每一位
{
Serial_SendByte(Number / Serial_Pow(10,Length-i-1) %10 + '0');//依次调用Serial_SendByte发送每位数字
}
}
/**
* 函 数：使用printf需要重定向的底层函数
* 参 数：保持原始格式即可，无需变动
* 返 回 值：保持原始格式即可，无需变动
*/
int fputc(int ch,FILE *f)
{
Serial_SendByte(ch); //将printf的底层重定向到自己的发送字节函数
return ch;
}
/**
* 函 数：自己封装的prinf函数
* 参 数：format 格式化字符串
* 参 数：... 可变的参数列表
* 返 回 值：无
*/
void Serial_Printf(char *format, ...)
{
char String[100]; //定义字符数组
va_list arg; //定义可变参数列表数据类型的变量arg
va_start(arg,format); //从format开始，接收参数列表到arg变量
vsprintf(String,format,arg);//使用vsprintf打印格式化字符串和参数列表到字符数组中
va_end(arg); //结束变量arg
Serial_SendString(String); //串口发送字符数组（字符串）
}-----------------------------
main.c ↓
-----------------------------
cpp
#include "stm32f10x.h" // Device header
#include "Delay.h"
#include "OLED.h"
#include "Serial.h"
int main(void)
{
OLED_Init();
Serial_Init();
Serial_SendByte(0x41);
uint8_t MyArray[] = {0x42,0x43,0x44,0x45};
Serial_SendArray(MyArray,4);
Serial_SendString("\r\nNum1=");
Serial_SendNumber(015,3);
printf("\r\nNum2=%d",016);
char String[100];
sprintf(String,"\r\nNum3=%d\r\n",017);
Serial_SendString(String);
Serial_Printf("你好，世界\r\n");
while(1)
{
}
}-----------------------------
1.17 实例二 9.2.1 串口发送+接收
Serial .c ↓
-----------------------------
cpp
#include "stm32f10x.h" // Device header
#include <stdio.h>
#include <stdarg.h>
uint8_t Serial_RxDate; //定义串口接收的数据变量
uint8_t Serial_RxFlag; //定义串口接收的标志位变量
/**
* 函 数：串口初始化
* 参 数：无
* 返 回 值：无
*/
void Serial_Init(void)
{
/*开启时钟*/
RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_USART1,ENABLE); //开启USART1的时钟
RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOA, ENABLE); //开启GPIOA的时钟
/*GPIO初始化*/
GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;
GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_AF_PP;
GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_9 ;
GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;
GPIO_Init(GPIOA,&GPIO_InitStructure); //将PA9引脚初始化为复用推挽输出
GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_IPU;
GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_10 ;
GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;
GPIO_Init(GPIOA,&GPIO_InitStructure); //将PA10引脚初始化为上拉输入
USART_InitTypeDef USART_InitStructure; //定义结构体变量
USART_InitStructure.USART_BaudRate = 9600; //波特率
USART_InitStructure.USART_HardwareFlowControl = USART_HardwareFlowControl_None; //硬件流控制，不需要
USART_InitStructure.USART_Mode = USART_Mode_Tx | USART_Mode_Rx; //模式，发送模式和接收模式均选择
USART_InitStructure.USART_Parity = USART_Parity_No; //奇偶校验，不需要
USART_InitStructure.USART_StopBits = USART_StopBits_1; //停止位，选择1位
USART_InitStructure.USART_WordLength = USART_WordLength_8b; //字长，选择8位
USART_Init(USART1,&USART_InitStructure); //将结构体变量交给USART_Init，配置USART1
/*中断输出配置*/
USART_ITConfig(USART1,USART_IT_RXNE,ENABLE); //开启串口接收数据的中断
/*NVIC中断分组*/
NVIC_PriorityGroupConfig(NVIC_PriorityGroup_2); //配置NVIC为分组2
/*NVIC配置*/
NVIC_InitTypeDef NVIC_InitStructure; //定义结构体变量
NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannel = USART1_IRQn; //选择配置NVIC的USART1线
NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelCmd = ENABLE; //指定NVIC线路使能
NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelPreemptionPriority = 1;//指定NVIC线路的抢占优先级为1
NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelSubPriority = 1;//指定NVIC线路的响应优先级为1
NVIC_Init(&NVIC_InitStructure); //将结构体变量交给NVIC_Init，配置NVIC外设
/*USART使能*/
USART_Cmd(USART1,ENABLE); //使能USART1，串口开始运行
}
/**
* 函 数：串口发送一个字节
* 参 数：Byte 要发送的一个字节
* 返 回 值：无
*/
void Serial_SendByte(uint8_t Byte)
{
USART_SendData(USART1,Byte); //将字节数据写入数据寄存器，写入后USART自动生成时序波形
while(USART_GetFlagStatus(USART1,USART_FLAG_TXE) == RESET );//等待发送完成
/*下次写入数据寄存器会自动清除发送完成标志位，故此循环后，无需清除标志位*/
}
/**
* 函 数：串口发送一个数组
* 参 数：Array 要发送数组的首地址
* 参 数：Length 要发送数组的长度
* 返 回 值：无
*/
void Serial_SendArray(uint8_t *Array,uint16_t Length)
{
uint16_t i;
for(i=0;i<Length;i++) //遍历数组
{
Serial_SendByte(Array[i]); //依次调用Serial_SendByte发送每个字节数据
}
}
/**
* 函 数：串口发送一个字符串
* 参 数：String 要发送字符串的首地址
* 返 回 值：无
*/
void Serial_SendString(char *String)
{
uint8_t i;
for(i=0;String[i] != '\0';i++) //遍历字符数组（字符串），遇到字符串结束标志位后停止
{
Serial_SendByte(String[i]); //依次调用Serial_SendByte发送每个字节数据
}
}
/**
* 函 数：次方函数（内部使用）
* 返 回 值：返回值等于X的Y次方
*/
uint32_t Serial_Pow(uint32_t X,uint32_t Y)
{
uint32_t Result = 1; //设置结果初值为1
while(Y--) //执行Y次
{
Result *= X; //将X累乘到结果
}
return Result;
}
/**
* 函 数：串口发送数字
* 参 数：Number 要发送的数字，范围：0~4294967295
* 参 数：Length 要发送数字的长度，范围：0~10
* 返 回 值：无
*/
void Serial_SendNumber(uint32_t Number,uint8_t Length)
{
uint8_t i;
for(i=0;i<Length;i++) //根据数字长度遍历数字的每一位
{
Serial_SendByte(Number / Serial_Pow(10,Length-i-1) %10 + '0'); //依次调用Serial_SendByte发送每位数字
}
}
/**
* 函 数：使用printf需要重定向的底层函数
* 参 数：保持原始格式即可，无需变动
* 返 回 值：保持原始格式即可，无需变动
*/
int fputc(int ch,FILE *f)
{
Serial_SendByte(ch); //将printf的底层重定向到自己的发送字节函数
return ch;
}
/**
* 函 数：自己封装的prinf函数
* 参 数：format 格式化字符串
* 参 数：... 可变的参数列表
* 返 回 值：无
*/
void Serial_Printf(char *format, ...)
{
char String[100]; //定义字符数组
va_list arg; //定义可变参数列表数据类型的变量arg
va_start(arg,format); //从format开始，接收参数列表到arg变量
vsprintf(String,format,arg);//使用vsprintf打印格式化字符串和参数列表到字符数组中
va_end(arg); //结束变量arg
Serial_SendString(String); //串口发送字符数组（字符串）
}
/**
* 函 数：获取串口接收标志位
* 参 数：无
* 返 回 值：串口接收标志位，范围：0~1，接收到数据后，标志位置1，读取后标志位自动清零
*/
uint8_t Serial_GetRxFlag(void)
{
if(Serial_RxFlag == 1) //如果标志位为1
{
Serial_RxFlag = 0;
return 1; //则返回1，并自动清零标志位
}
return 0; //如果标志位为0，则返回0
}
/**
* 函 数：获取串口接收的数据
* 参 数：无
* 返 回 值：接收的数据，范围：0~255
*/
uint8_t Serial_GetRxDate(void)
{
return Serial_RxDate; //返回接收的数据变量
}
/**
* 函 数：USART1中断函数
* 参 数：无
* 返 回 值：无
* 注意事项：此函数为中断函数，无需调用，中断触发后自动执行
* 函数名为预留的指定名称，可以从启动文件复制
* 请确保函数名正确，不能有任何差异，否则中断函数将不能进入
*/
void USART1_IRQHandler(void)
{
if ( USART_GetFlagStatus(USART1,USART_IT_RXNE)==SET ) //判断是否是USART1的接收事件触发的中断
{
Serial_RxDate = USART_ReceiveData(USART1); //读取数据寄存器，存放在接收的数据变量
Serial_RxFlag = 1; //置接收标志位变量为1
USART_ClearITPendingBit(USART1,USART_IT_RXNE); //清除USART1的RXNE标志位
//读取数据寄存器会自动清除此标志位
//如果已经读取了数据寄存器，也可以不执行此代码
}
}-----------------------------
main.c ↓
-----------------------------
cpp
#include "stm32f10x.h" // Device header
#include "Delay.h"
#include "OLED.h"
#include "Serial.h"
uint8_t RxDate;
int main(void)
{
OLED_Init();
Serial_Init();
OLED_ShowString(1,1,"RxDate:");
while(1)
{
if( Serial_GetRxFlag()==1 )
{
RxDate = Serial_GetRxDate();
Serial_SendByte(RxDate);
OLED_ShowHexNum(1,8,RxDate,2);
}
}
}-----------------------------
二、总结
本文围绕 STM32 的 USART 串口通信展开，从通信接口的基本概念出发，系统梳理了串口通信的硬件电路、电平标准、串口参数及时序等基础知识，并深入讲解了 USART 外设的框图、基本结构、数据帧格式、起始位侦测、数据采样、波特率发生器以及数据模式等核心原理。
在实践层面，本文给出了两个完整的实例：一是串口发送，演示了 USART 初始化流程以及通过库函数发送字节、数组、字符串和数字的方法；二是串口发送加接收，结合中断方式实现了数据的接收与回显，并配合 OLED 进行显示。通过这两个实例，可以直观地掌握 USART 从配置到实际应用的完整流程。
总的来说，USART 作为 STM32 内部集成的硬件外设，凭借其成本低、易使用、通信线路简单的特点，在单片机与单片机、单片机与电脑以及各类模块之间的通信中发挥着重要作用。掌握 USART 的配置方法和收发机制，是进行嵌入式系统开发的一项基础且重要的技能。希望本文的内容能帮助读者更好地理解和运用 STM32 的串口通信功能。
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