深入浅出 STM32 USART 串口：从基础概念到帧格式与波特率
在学习 STM32 的过程中，串口（USART/UART）几乎是每个开发者最先接触、也是最常用的通信外设。无论是打印调试信息，还是与外部传感器、蓝牙模块通信，都离不开它。
本文基于 STM32 串口知识，对帧格式及其之前的核心概念（物理层、通信方式、波特率等）进行系统性总结。带你一次性打通串口底层逻辑！
一、 什么是 UART
UART （Universal Asynchronous Receiver/Transmitter），即通用异步收发器。它是一种硬件电路，用于设备间的串行通信（数据按位顺序，一次发1位）。
1. 物理接线
UART 的接线非常简单，主要由两根数据线和一根地线构成：
- Tx（Transmit）：发送数据线
- Rx（Receive）：接收数据线
- GND（地线）：提供公共地，确保电平基准一致
连线规则 ：Tx 接对端 Rx，Rx 接对端 Tx（交叉互连），构建双向通信。
2. 通信双方的关系
通信双方地位对等，没有主从概念，共同遵守一套约定的规则即可完成通信。
二、 UART 的四大核心特点
要理解串口，我们需要先了解它所在的通信分类框架：
1. 串行通信 与 并行通信
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并行：多根线同时传（如8根线传8位），速度快但成本高、易受串扰、抗干扰差（仅限板级）。
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串行 ：一根线按时间顺序一位一位传。UART 属于串行通信（注意：SPI、I2C、CAN 也是串行通信，串行 ≠ UART）。
2. 异步通信 与 同步通信
- 同步：有时钟线（SCK），双方踩着同一个节拍（时钟沿）收发数据。
* 异步 ：没有时钟线 UART 正是异步通信，依靠双方事先约定好的波特率 （每个 bit 持续的时间）来识别数据。
3. 1对1通信
一个串口模块只能与另一个串口模块通信，不支持像 I2C 那样挂载多个设备。
4. 全双工通信
- 单工：只能单向传输（如广播）。
- 半双工：可以双向，但同一时刻只能有一方说话（如对讲机）。
- 全双工 ：UART 拥有独立的 Tx 和 Rx 线，可以同时发送和接收 （像日常吵架，你说你的，我说我的）。注：基于 UART 的 RS-485 是半双工。
三、 MCU 与串口的关系
在 STM32 内部，串口是以片上外设的形式挂载在 APB 总线上的。
1. UART 与 USART 的区别
STM32 的参考手册中通常叫 USART （Universal Synchronous Asynchronous Receiver Transmitter），比 UART 多了一个 Synchronous（同步） 功能。
- 如果给 USART 额外提供一根时钟线（CLK），即可实现同步通信。
- 但实际应用中极少使用同步功能，因此忽略同步功能，USART == UART。
2. 四方关系：MCU、USART、GPIO 与 外部设备
USART 模块不直接对外，而是复用 GPIO 引脚（如 PA9 作 TX，PA10 作 RX）。MCU 内部的 USART 控制器将通过 GPIO 的高低电平向外输出信号。
四、 速度的灵魂：比特率 与 波特率
在宏观上，发送端输出高低电平表示 0 和 1，但接收端怎么知道发送端的速度有多快呢？这就引出了波特率。
1. 比特率（Bit Rate）
- 定义 ：每秒传输的比特（bit）数，单位 bps（bits per second）。
- 侧重 ：衡量传递有效信息的数据量。
2. 波特率（Baud Rate）
- 定义 ：每秒传输的码元（Symbol）数量，单位 Baud。
- 侧重 ：衡量信号跳变的速率。
3. 两者的关系
比特率 = 波特率 × 单个码元携带的比特数
对于单片机的 UART 来说，使用的是高低电平两种状态（二进制码元），每个码元只携带 1 比特信息。因此：在 UART 中，比特率 == 波特率。
4. 波特率的本质意义
波特率设置的越高，传输速度越快。但它底层的物理意义是：决定了单个信号电平持续的时间 。
例如波特率为 9600，意味着每个 bit 持续约 (1 / 9600) 秒。双方必须设置相同的波特率，才能正确采样。
五、 USART 帧格式
解决了"速度"问题，接下来要解决的是"边界"问题：接收方怎么知道数据什么时候开始？什么时候结束？数据有几位？
这就需要双方约定好数据帧格式 。
1. 一帧数据的组成
UART 的一帧（Frame）数据通常由以下部分构成（按发送顺序）：
- 空闲状态（Idle）：总线保持逻辑高电平（1）。
- 起始位（Start Bit） ：拉低电平（0），持续 1 个位时间。这是关键！下降沿告诉接收方："我要开始发数据了，请同步节拍！"
- 数据位（Data Bits） ：通常是 8 位或 9 位。低位（LSB）在前，高位（MSB）在后。
- 校验位（Parity Bit） （可选）：用于简单的错误检测（奇校验/偶校验）。
- 奇校验：数据位+校验位中，1 的个数为奇数。
- 偶校验：数据位+校验位中，1 的个数为偶数。
- 注意：校验只能检测奇数个错误，无法纠错。
- 停止位（Stop Bit） ：拉高电平（1），持续 1、1.5 或 2 个位时间。告诉接收方本帧结束。
- 回到空闲状态。
2. 为什么必须要结束位？
如果当前帧发完不强制拉高（停止位），那么下一个起始位的拉低动作可能就不存在（因为前面正好是低电平），会导致下一帧无法正确开始。停止位保证了每一帧起始位到来前，总线一定有确定的高电平。
3. 常见疑问解答
- Q：会不会把起始位当成数据位？
- A：不可能。双方提前约定了帧格式（比如1起始+8数据+1停止），接收方识别到第一个下降沿就固定判定为起始位，不会错乱。
- Q：发 5 个字节，会有几个停止位？
- A ：5 个。每次发送一个字节，都会形成一帧完整的数据（独立拥有起始位、数据位、停止位），就像每说一句话都要画一个句号一样。
六、 换算：波特率与传输速率
有了波特率和帧格式，我们就可以算理论上的传输速度了。
【示例 1】常规配置
- 波特率：
9600 Bd（bps） - 帧格式：
1起始位 + 8数据位 + 无校验 + 1停止位 = 10 位 - 每秒传输字节数 =
9600 / 10 = 960 字节/秒
【示例 2】高速配置
- 波特率：
115200 Bd（bps） - 帧格式：
1起始位 + 8数据位 + 无校验 + 1停止位 = 10 位 - 每秒传输字节数 =
115200 / 10 = 11520 字节/秒
总结
- 交叉接线：Tx 连 Rx，共地。
- 异步全双工：没有时钟线，靠波特率同步；收发独立。
- 波特率：本质是电平持续时间，通信双方必须一致。
- 帧格式 ：是双方约定好的语言规则，
起始位(低) + 数据位(LSB先发) + 校验位(可选) + 停止位(高)，保证了数据的确定性。