USART 串口通信全解析：原理、结构与代码实战

文章目录

- USART
- - USART简介
  - USART框图
  - USART基本结构
  - 数据帧
  - 起始位侦测
  - 数据采样
  - 波特率发生器
  - 串口发送数据主要代码
  - 串口接收数据与发送数据主要代码

USART

USART简介

一、USART 的全称与基本定义

英文全称
- USART：Universal Synchronous Asynchronous Receiver Transmitter，即 通用同步异步收发器。
- 核心功能：实现串行通信，支持 同步通信（需时钟信号）和 异步通信（无需时钟信号，依赖波特率同步）。
与 UART 的本质区别
- UART：Universal Asynchronous Receiver Transmitter，即 通用异步收发器，仅支持异步通信。
- 关键差异
  - USART 比 UART 多一个 同步时钟输出功能（对应引脚 CLK），可在通信中提供时钟信号。
  - 实际应用中，由于串口通信极少使用同步模式，USART 与 UART 在异步模式下可视为等价，硬件驱动和配置流程基本一致。

二、USART 的核心功能特性

通信模式灵活切换
- 异步模式（常用）：
  - 无需时钟信号，通信双方通过 波特率 约定数据传输速率。
  - 数据帧包含 起始位、数据位、校验位（可选）、停止位，通过 TX/RX 引脚完成收发。
- 同步模式（少用）：
  - 通过 CLK 引脚输出时钟信号，用于同步发送方和接收方的时序。
  - 时钟频率与波特率一致，可兼容 SPI 等需要时钟的协议，但 仅支持时钟输出，不支持输入，因此 无法实现两个 USART 设备间的同步通信。
硬件自动化处理
- 数据帧生成与解析
  - 发送时，自动将数据寄存器（TDR）中的字节转换为符合协议的波形（如添加起始位、停止位），通过 TX 引脚输出。
  - 接收时，自动从 RX 引脚读取波形，按协议解析为字节数据存入接收寄存器（RDR）。
- 双缓存机制
  - 发送端：TDR（写缓冲）与发送移位寄存器配合，允许连续写入数据，提升传输效率。
  - 接收端：RDR（读缓冲）与接收移位寄存器配合，避免数据丢失。
可配置参数
- 波特率：最高支持 4.5 Mbps，通过内部波特率发生器（分频器）配置。
- 数据位长度：8 位（无校验）或 9 位（含 1 位奇偶校验位）。
- 停止位长度：0.5/1/1.5/2 位，常用 1 位。
- 校验方式：无校验、奇校验、偶校验。

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USART框图

数据传输路径
- 发送路径：CPU 或 DMA 将数据写入发送数据寄存器（TDR），TDR 的数据转移至发送移位寄存器，然后在发送器控制的作用下（这里是向右移位的与串口输出的低位先行是一致的），通过 TX 引脚逐位发送出去。在此过程中，发送数据寄存器（TDR）起到缓冲作用，允许 CPU 或 DMA 在发送移位寄存器工作时写入下一个数据。当数据转移至移位寄存器中会置标志位 TXE 发送寄存器空，就可以将数据写入寄存器。
- 接收路径：RX 引脚接收到的数据进入接收移位寄存器，将数据先放在最高位然后向右移位（也是符合串口通信低位先行的原则），当接收移位寄存器接收到完整的数据字节后，数据被转移到接收数据寄存器（RDR），在接收数据过程中，也是会置标志位，接收寄存器非空RXNE，当检测到该标志位后， CPU 或 DMA 可以进行读取。
寄存器功能
- 数据寄存器（DR）：实际包含发送数据寄存器（TDR）和接收数据寄存器（RDR），对 DR 进行写操作时数据存入 TDR，进行读操作时从 RDR 读取数据，也就是两个寄存器占据一块空间。
- 状态寄存器（SR） ：包含多个标志位，如 TXE（发送寄存器空）、TC（发送完成）、RXNE（接收寄存器非空）、IDLE（总线空闲）、ORE（溢出错误）、NE（噪声错误）、FE（帧错误）、PE（奇偶校验错误）等，用于反映 USART 的工作状态，方便软件判断何时进行数据发送、接收以及检测通信错误。
- 波特率寄存器（BRR） ：用于设置波特率，其值决定了发送器和接收器的波特率时钟。计算公式为 USARTDIV = DIV_Mantissa + (DIV_Fraction / 16) ，通过设置 DIV_Mantissa（整数部分）和 DIV_Fraction（小数部分）来得到所需的波特率分频值。
- 控制寄存器（CR1 - CR3） ：CR1 用于控制 USART 的基本功能，如使能发送（TE）、接收（RE），奇偶校验（PCE、PS、PE），唤醒功能（WAKE）等；CR2 用于控制停止位（STOP [1:0]）、时钟使能（CKEN）等；CR3 用于控制硬件流控（CTSE、RTSE）、智能卡模式（SCEN）等功能。
控制单元
- 发送器控制：根据控制寄存器（如 CR1 中的 TE 位）的配置来控制发送移位寄存器的工作，决定何时将 TDR 的数据转移到发送移位寄存器并进行发送，同时参与波特率控制相关操作。
- 接收器控制：负责管理接收移位寄存器的工作，包括起始位侦测、数据采样等操作。通过对 RX 引脚的信号以波特率 16 倍频率采样来侦测起始位，然后逐位接收数据并转移到 RDR 。同时，还具备噪声过滤等功能，通过三次采样投票机制（2:1 规则）判断有效数据，若采样不一致则置 NE 标志位（说明有噪声干扰）。
- 硬件数据流控：如果发送数据太快，接收设备来不及处理就会出现数据丢失或覆盖的现象，可以通过 nRTS（请求发送 Request to send）和 nCTS（清除发送 clear to send）引脚实现硬件流控。当接收方接收缓冲区快满时，通过 nRTS 引脚通知发送方暂停发送，发送方根据 nCTS 引脚状态判断是否可以继续发送，以此避免数据丢失。接收方的nRTS 与发送方的 nCTS相连接，也就是这两个引脚相互连接。置高电平说明会产生信号，nRTS就是停止发送。
- 中断控制：根据状态寄存器（SR）中的标志位状态来触发中断，如 TXE、RXNE、NE 等标志位置 1 时，可触发相应中断，使 CPU 能够及时响应并处理 USART 相关事件，如读取接收数据、写入新的发送数据或处理通信错误等。
时钟相关
- 时钟来源：USART1 时钟来自 APB2 总线时钟（PCLK2），USART2 和 USART3 时钟来自 APB1 总线时钟（PCLK1）。
- 波特率时钟生成：时钟经过波特率发生器（由 BRR 寄存器配置）进行分频，得到发送器和接收器的波特率时钟。发送器波特率控制和接收器波特率控制分别根据 BRR 寄存器的值生成相应的时钟信号，确保发送和接收数据的速率符合设定的波特率。
- 同步时钟（SCLK） ：在同步模式下，SCLK 引脚输出同步时钟信号，其频率与波特率一致（发送寄存器每移位一次，同步时钟就跳变一个周期）。同步时钟信号由 SCLK 控制模块根据相关配置（如 CR2 中的时钟控制位）生成，用于为同步通信提供时钟基准，如在与 SPI 等协议兼容通信时发挥作用和做自适应波特率。
其他功能模块
- IrDA 编码解码模块：用于红外数据通信（IrDA 模式），对发送数据进行编码后通过 IrDA_OUT 引脚发送，对 IrDA_IN 引脚接收到的信号进行解码后送入接收路径。
- 唤醒单元：配合多设备通信场景，可根据配置的 USART 地址，在接收到特定地址的信号时唤醒 USART 设备，使其进入工作状态，实现类似 I2C 的多主机通信机制。

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USART基本结构

USART 基本结构

波特率发生器：位于最左边，用于产生约定的通信数据。
时钟单元：由 PCLK2 或经过分频后产生，为发送和接收控制器提供时钟，控制发送和接收移位。
发送部分：发送数据寄存器和发送移位寄存器配合，将数据一位一位右移（低位先行），通过 GPIO 口复用输出到 TX 引脚，产生规定波形，数据转移时置 TXE 标志位。
接收部分：RX 引脚波形通过 GPIO 口输入，在接收控制器控制下，数据右移（低位先行）进入接收移位寄存器，移完一帧后转运到接收数据寄存器，转移时置 RXNE 标志位，该标志位可用于判断是否收到数据及申请中断。
寄存器：右边实际有 4 个寄存器，软件层面只有 Dr 寄存器可读写，写入 Dr 走发送路径，读取 Dr 走接收路径。
开关控制：配置完成后用 CMD 开启外设。

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数据帧

一、字长与校验位选择

9 位字长
- 结构为 “1 位起始位 + 8 位数据位 + 1 位校验位 + 停止位（自定义长度）”。
- 校验位可配置为奇校验或偶校验，用于检测数据传输中的错误。
8 位字长
- 结构为 “1 位起始位 + 8 位数据位 + 停止位（自定义长度）”。
- 无校验位，每帧有效载荷为完整的 8 位（1 字节），适用于一般数据传输场景，可提升传输效率，避免因校验位导致的额外开销。

二、同步时钟作用

功能：在同步模式下，USART 通过 CLK 引脚输出同步时钟信号，该信号在每个数据位的中间位置产生上升沿。
意义：接收端可利用此时钟信号精准采样数据位，确保数据接收的准确性，尤其适用于与外部设备（如模拟 SPI 从设备）的同步通信。
配置：时钟极性（CPIO，空闲时电平状态）和相位（CPHA，采样时刻）可通过寄存器配置，以适配不同协议的时序要求。

三、特殊数据帧

空闲帧（Idle Frame）
- 定义：整个数据帧的波形从头到尾均为高电平（逻辑 1）。
- 用途：用于局域网（LIN）等协议中，表示总线空闲状态，通知从设备准备接收后续数据。
- 串口应用：在普通串口通信中极少使用。
断开帧（Break Frame）
- 定义：整个数据帧的波形从头到尾均为低电平（逻辑 0）。
- 用途：用于局域网协议中，通常作为一种特殊的控制信号，打断当前通信流程或唤醒从设备。
- 串口应用：在普通串口通信中极少使用。

四、停止位波形变化

配置选项：STM32 的 USART 可配置停止位长度为 0.5 位、1 位、1.5 位或 2 位。
波形时长
- 停止位的波形时长与波特率相关，例如波特率为 9600 bps 时，1 位停止位的时长为 96001≈104.17μs，0.5 位则约为 52.08μs。
常用选择：实际应用中，1 位停止位最为常用，因其兼容性好，适用于大多数串口设备（如 PC 端串口助手、传感器模块等）。

五、数据帧整体作用

数据帧是 USART 通信的基本单元，通过定义起始位、数据位、校验位（可选）、停止位的组合，确保收发双方在异步通信中实现时序同步，避免数据错位或丢失。
不同的帧格式（如 8 位无校验、9 位带校验）和停止位配置，为开发者提供了灵活的选择，可根据具体应用场景（如工业控制的高可靠性需求、普通调试信息传输的高效性需求）优化通信参数。

起始位侦测

频采样机制：接收端以波特率 16 倍的频率对 RX 引脚进行采样，这种高频采样有助于精确捕捉信号变化，为起始位检测提供基础。
起始位下降沿侦测：当检测到 RX 引脚出现下降沿（从高电平跳变到低电平）时，初步判断可能是起始位的开始。
多次采样确认：在侦测到下降沿后，通过连续多批次采样进一步判断。若后续采样持续检测到低电平，则确认该下降沿为真正的起始位；若采样结果不一致，则借助噪声处理机制判断。
噪声处理：采用三次采样投票机制（2:1 规则），即连续三次采样中，若两次结果相同则判定为有效电平。若采样过程中出现噪声导致不一致，会置位噪声标志位（NE），但不影响正常数据接收，仅作为提示。

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数据采样

采样位置对齐：起始位侦测通过后，接收状态机发生改变，调整后续采样的时间点，使采样位置精确对齐数据位的中心，确保后续数据位采样的准确性。

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波特率发生器

一、定义与核心功能

波特率发生器是 USART（通用同步异步收发器）的关键模块，用于生成数据发送与接收的时钟信号，决定数据位的传输速率（波特率），确保收发双方在串行通信中时序同步，避免数据错位或乱码。

二、输入时钟来源

USART1：挂载于 APB2 总线，输入时钟为 PCLK2（通常为 72 MHz）。
USART2/3：挂载于 APB1 总线，输入时钟为 PCLK1（通常为 36 MHz）。

三、波特率计算原理
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四、寄存器配置

BRR 寄存器：存储分频系数 DIV，分为整数部分（BRR[15:4]）和小数部分（BRR[3:0]）。通过配置该寄存器，可灵活调整波特率。

五、对通信的影响

若波特率设置错误，收发双方时序不匹配，会导致数据接收错误（如乱码）。
在同步模式下，波特率发生器还控制同步时钟（SCLK）的频率，使其与波特率一致，确保数据与时钟信号同步输出。

串口发送数据主要代码

// Serial.c USART模块主要代码

#include "stm32f10x.h"                  // Device header
#include <stdio.h>
#include <stdarg.h>
void Serial_Init(void)
{
	//1.开启时钟 
	//开启GPIO时钟
	RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOA,ENABLE);
	RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_USART1, ENABLE);
	//初始化gpioinit参数中的结构体
	GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;
	//将gpio口设置为推挽输出，因为非工作模式默认为高电平，所以配置为上拉
	GPIO_InitStructure.GPIO_Mode=GPIO_Mode_AF_PP;
	//初始化发送引脚 9号引脚
	GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_9;
	GPIO_InitStructure.GPIO_Speed=GPIO_Speed_50MHz;
	GPIO_Init(GPIOA,&GPIO_InitStructure);
	
	USART_InitTypeDef USART_InitStruct;
	//要配置的波特率
	USART_InitStruct.USART_BaudRate = 9600;
	//有没有启动硬件数据流控
	USART_InitStruct.USART_HardwareFlowControl = USART_HardwareFlowControl_None;
	//模式输出模式
	USART_InitStruct.USART_Mode = USART_Mode_Tx;
	//奇偶校验位
	USART_InitStruct.USART_Parity = USART_Parity_No;
	//停止位
	USART_InitStruct.USART_StopBits = USART_StopBits_1;
	USART_InitStruct.USART_WordLength = USART_WordLength_8b;
	USART_Init(USART1, &USART_InitStruct);
	
	//开始USART1的总开关
	USART_Cmd(USART1, ENABLE);
}

//封装发送数据的函数
void Serial_SendBtye(uint8_t byte)
{
	USART_SendData(USART1, byte);
	//等待数据发送完成，读取标志位
	while( USART_GetFlagStatus(USART1, USART_FLAG_TXE) == RESET);
	//标志位置一之后不需要手动清零，进行写操作会自动清零
	
}
void Serial_SendArray(uint8_t *Array, uint8_t length)
{
	uint8_t i;
	for(i = 0; i < length; i++)
	{
		Serial_SendBtye(Array[i]);
	}
}

void Serial_SendString(char *string)
{
	for(uint8_t i = 0; string[i] != '\0'; i++)
	{
		Serial_SendBtye(string[i]);
	}
}
uint32_t Pow(uint8_t x, uint8_t y)
{
	uint32_t result = 1;
	while(y--)
	{
		result *= x;
	}
	return result;
}
void Serial_SendNum(uint32_t Number, uint8_t length)
{
	for(uint8_t i = 0; i < length; i++)
	{
		Serial_SendBtye(Number / Pow(10, length - i - 1) % 10 + '0');
	}
}
/**
  * 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_SendBtye(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）
}

串口接收数据与发送数据主要代码

//Serial.c USART模块主要代码

#include "stm32f10x.h"                  // Device header
#include <stdio.h>
#include <stdarg.h>

int Serial_Data;
int Serial_flag;
void Serial_Init(void)
{
	//1.开启时钟 
	//开启GPIO时钟
	RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOA,ENABLE);
	RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_USART1, ENABLE);
	//初始化gpioinit参数中的结构体
	GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;
	//将gpio口设置为推挽输出，因为非工作模式默认为高电平，所以配置为上拉
	GPIO_InitStructure.GPIO_Mode=GPIO_Mode_AF_PP;
	//初始化发送引脚 9号引脚
	GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_9;
	GPIO_InitStructure.GPIO_Speed=GPIO_Speed_50MHz;
	GPIO_Init(GPIOA,&GPIO_InitStructure);
	
	//接收数据初始化 10号引脚 
	GPIO_InitStructure.GPIO_Mode=GPIO_Mode_IPU;
	//初始化发送引脚 9号引脚
	GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_10;
	GPIO_InitStructure.GPIO_Speed=GPIO_Speed_50MHz;
	
	USART_InitTypeDef USART_InitStruct;
	//要配置的波特率
	USART_InitStruct.USART_BaudRate = 9600;
	//有没有启动硬件数据流控
	USART_InitStruct.USART_HardwareFlowControl = USART_HardwareFlowControl_None;
	//模式输出模式
	USART_InitStruct.USART_Mode = USART_Mode_Tx | USART_Mode_Rx;
	//奇偶校验位
	USART_InitStruct.USART_Parity = USART_Parity_No;
	//停止位
	USART_InitStruct.USART_StopBits = USART_StopBits_1;
	USART_InitStruct.USART_WordLength = USART_WordLength_8b;
	USART_Init(USART1, &USART_InitStruct);
	
	//如果想要使用中断，就开启中断，然后配置NVIC
	USART_ITConfig(USART1, USART_IT_RXNE, ENABLE);
	
	//先设置中断分组
	NVIC_PriorityGroupConfig(NVIC_PriorityGroup_2);
	
	NVIC_InitTypeDef NVIC_InitStruct;
	NVIC_InitStruct.NVIC_IRQChannel = USART1_IRQn;
	NVIC_InitStruct.NVIC_IRQChannelCmd = ENABLE;
	NVIC_InitStruct.NVIC_IRQChannelPreemptionPriority = 1;
	NVIC_InitStruct.NVIC_IRQChannelSubPriority = 1;
	NVIC_Init(&NVIC_InitStruct);
	
	//开始USART1的总开关
	USART_Cmd(USART1, ENABLE);
}

//封装发送数据的函数
void Serial_SendBtye(uint8_t byte)
{
	USART_SendData(USART1, byte);
	//等待数据发送完成，读取标志位
	while( USART_GetFlagStatus(USART1, USART_FLAG_TXE) == RESET);
	//标志位置一之后不需要手动清零，进行写操作会自动清零
	
}
void Serial_SendArray(uint8_t *Array, uint8_t length)
{
	uint8_t i;
	for(i = 0; i < length; i++)
	{
		Serial_SendBtye(Array[i]);
	}
}

void Serial_SendString(char *string)
{
	for(uint8_t i = 0; string[i] != '\0'; i++)
	{
		Serial_SendBtye(string[i]);
	}
}
uint32_t Pow(uint8_t x, uint8_t y)
{
	uint32_t result = 1;
	while(y--)
	{
		result *= x;
	}
	return result;
}
void Serial_SendNum(uint32_t Number, uint8_t length)
{
	for(uint8_t i = 0; i < length; i++)
	{
		Serial_SendBtye(Number / Pow(10, length - i - 1) % 10 + '0');
	}
}
/**
  * 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_SendBtye(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）
}
int Serial_GetFlag(void)
{
	//实现读取标志位后自动清除的功能
	if(Serial_flag == 1)
	{
		Serial_flag = 0;
		return 1;
	}
	return 0;
}
int Serial_GetData(void)
{
	return Serial_Data;
}

void USART1_IRQHandler(void)
{
	if(USART_GetITStatus(USART1, USART_IT_RXNE) == SET)
	{
		Serial_Data = USART_ReceiveData(USART1);
		Serial_flag = 1;
		//不用手动清除标志位，读取数据会自动清除
	}
}