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从零开始玩转STM32串口通信：寄存器级实战全解析

你有没有遇到过这样的情况？
刚烧录完代码，满怀期待地打开串口助手，结果屏幕上只有一堆乱码，或者干脆一片漆黑。

“难道是接线错了？”
“波特率设对了吗？”
“是不是忘了开时钟？”

别急——这几乎是每个嵌入式开发者都踩过的坑。而今天我们要做的，就是彻底搞懂STM32的UART通信机制，不靠HAL库、不调CubeMX，手把手从寄存器层面把USART1跑起来。

这不是一篇“复制粘贴就能用”的教程，而是一次深入骨髓的技术剖析。读完它，你会真正明白：为什么这一行代码能让芯片“开口说话”。

为什么我们还要学寄存器配置？

你说现在都2025年了，谁还写寄存器啊？直接上STM32CubeMX生成初始化代码，再配合HAL库，点几下鼠标就搞定。

这话没错，但问题在于：

当你不知道底层发生了什么时，一旦出错，你就只能祈祷。

比如：
- 波特率明明是对的，怎么还是收不到数据？
- 中断进不去，NVIC配置真的生效了吗？
- DMA传输卡住，是优先级冲突还是寄存器没清标志？

这些问题的答案，藏在参考手册的第687页某个不起眼的位域说明里。只有理解了寄存器的工作方式，你才能成为一个能“看病开方”的工程师，而不是只会“照方抓药”的搬运工。

所以，今天我们回归本质：从内存映射到引脚复用，从波特率计算到中断服务，一步步点亮USART1。

先搞清楚：UART和USART到底啥区别？

很多人一上来就说“我用UART通信”，但在STM32里，准确地说，你用的是USART（Universal Synchronous/Asynchronous Receiver Transmitter）。

名字很长，但重点在中间那个”S”——Synchronous（同步）。也就是说，这个外设不仅能做异步通信（UART模式），还能当SPI用（同步模式）！

但我们日常说的“串口打印”，其实都是异步串行通信，也就是没有共同时钟线，靠双方约定好波特率来收发数据。

它的帧结构长这样：

[空闲高电平] → [起始位(低)] → [D0 D1 D2 D3 D4 D5 D6 D7] → [校验位(可选)] → [停止位(高)]

• 数据位通常是8位，低位先发（LSB first）
• 停止位可以是1、1.5或2个bit时间
• 波特率决定了每一位持续多久（例如115200bps ≈ 每位8.68μs）

接收端会以16倍采样的方式对输入信号进行判断，提高抗干扰能力。这也是为什么波特率精度必须足够高的原因——差太多就会采样偏移，导致误码。

STM32中的USART模块架构一览

以最常见的STM32F103为例，USART1挂载在APB2总线上，主频可达72MHz，支持最高4.5Mbps的通信速率（具体看型号）。

它内部的核心组件包括：

这些寄存器都有固定的地址偏移，比如：

• USART1基地址：0x4001_1000
• CR1位于偏移0x0C → 实际地址0x4001100C
• SR位于偏移0x00 →0x40011000

CPU通过向这些地址写值，就能控制整个通信过程。

手动配置USART1：五步走通

下面我们以PA9(TX)和PA10(RX)为例，完整实现一个可用的串口通信链路。

第一步：打开时钟——所有操作的前提

任何外设工作前都必须先给电，也就是开启对应时钟。否则你访问它的寄存器就像给关机的手机打电话——永远没人接。

USART1属于APB2外设，GPIOA也是APB2上的模块，所以我们需要操作RCC->APB2ENR寄存器：

// 开启GPIOA和USART1的时钟 RCC->APB2ENR |= RCC_APB2ENR_IOPAEN; // GPIOA clock enable RCC->APB2ENR |= RCC_APB2ENR_USART1EN; // USART1 clock enable

⚠️ 注意顺序：一定要先开时钟，再配置引脚和外设！否则后续操作可能无效。

第二步：配置GPIO引脚为复用功能

STM32的IO口是多功能的，要让PA9成为TX输出，必须将其设置为复用推挽输出模式；PA10作为RX输入，则设为浮空输入。

这两个引脚的信息由GPIOA->CRL寄存器管理（CRL控制Pin 0~7，CRH控制8~15），每4位一组。

// 配置PA9 (TX): 复用推挽输出，最大速度50MHz GPIOA->CRL &= ~(0xF << (9 * 4)); // 清除原有配置 GPIOA->CRL |= (0xB << (9 * 4)); // CNF=11, MODE=11 → 复用推挽 // 配置PA10 (RX): 浮空输入 GPIOA->CRL &= ~(0xF << (10 * 4)); GPIOA->CRL |= (0x4 << (10 * 4)); // CNF=01, MODE=00 → 输入浮空

这里的0xB其实是二进制1011，拆开来看：
- 高两位10→ CNF = 10? 不对！等等……

等等！这里有个经典陷阱！

实际上，在STM32F1系列中：
-CNF[1:0]占高位（bit 7:6）
-MODE[1:0]占低位（bit 5:4）

所以0xB = 1011₂对应的是：
- CNF = 10 → 复用功能推挽输出 ✅
- MODE = 11 → 输出速率50MHz ✅

没错，确实是正确配置。但如果记混了顺序，很容易配成“通用推挽”而非“复用功能”，导致TX无输出。

第三步：精确计算并设置波特率

假设系统时钟HCLK=72MHz，USART1挂APB2，PCLK2=72MHz。

使用标准16倍采样（OVER8=0），波特率公式为：

$$
\text{DIV} = \frac{f_{PCLK}}{16 \times BaudRate}
$$

代入115200：

$$
\text{DIV} = \frac{72000000}{16 \times 115200} \approx 39.0625
$$

整数部分 = 39 = 0x27
小数部分 = 0.0625 × 16 ≈ 1 → 小数寄存器填1

因此BRR =0x271

USART1->BRR = 0x271; // 设置波特率为115200

🔍 提示：如果发现通信不稳定，建议检查实际PCLK频率。若使用内部RC振荡器（HSI），偏差可达±2%，极易造成误码。推荐使用外部晶振（HSE）+ PLL锁频。

第四步：启动USART并启用收发功能

接下来通过CR1寄存器激活USART模块：

USART1->CR1 = 0; // 先清零，避免残留位影响 USART1->CR1 |= USART_CR1_TE; // 使能发送 USART1->CR1 |= USART_CR1_RE; // 使能接收 USART1->CR1 |= USART_CR1_UE; // 使能USART1外设

这三个标志位缺一不可：
-TE: Transmit Enable
-RE: Receive Enable
-UE: USART Enable

一旦UE置位，硬件就开始监听RX引脚上的起始位了。

第五步：可选——开启中断提升响应效率

轮询方式简单，但浪费CPU资源。更高效的做法是开启接收中断，让数据来了自动通知CPU处理。

USART1->CR1 |= USART_CR1_RXNEIE; // 接收到数据后触发中断 NVIC_EnableIRQ(USART1_IRQn); // 在NVIC中使能该中断

然后在中断向量表中添加处理函数：

void USART1_IRQHandler(void) { if (USART1->SR & USART_SR_RXNE) { // 判断是否为接收中断 uint8_t ch = (uint8_t)(USART1->RDR); // 必须读RDR才能清除标志 usart1_send_char(ch); // 回显测试 } }

⚠️ 关键细节：必须读取RDR寄存器才会自动清除RXNE标志，否则会反复进入中断！

实用函数封装：打造自己的迷你驱动库

为了方便使用，我们可以把常用操作封装成简洁接口。

发送一个字节（阻塞式）

void usart1_putc(char ch) { while (!(USART1->SR & USART_SR_TXE)) {} // 等待发送寄存器空 USART1->TDR = ch; // 写入数据，自动开始发送 }

发送字符串

void usart1_puts(const char* str) { while (*str) { if (*str == '\n') { usart1_putc('\r'); // 自动补回车 } usart1_putc(*str++); } }

接收一个字节（轮询）

char usart1_getc(void) { while (!(USART1->SR & USART_SR_RXNE)) {} // 等待数据到达 return (char)(USART1->RDR); }

有了这几个函数，你就可以像Linux终端一样自由交互了：

int main(void) { usart1_init(); // 初始化串口 usart1_puts("Hello, I'm STM32!\r\n"); while (1) { char cmd = usart1_getc(); usart1_printf("You typed: %c\r\n", cmd); } }

常见问题与避坑指南

❌ 问题1：串口助手看到乱码

排查清单：
- ✅ 上位机波特率是否与程序一致？
- ✅ 是否使用了正确的时钟源？HSI不准，优先用HSE。
- ✅ BRR计算是否有舍入误差？试试手动微调（如0x270或0x272）。
- ✅ PA9/PA10有没有被其他功能占用？（比如JTAG调试引脚重映射）

❌ 问题2：只能发不能收，或中断进不去

• 检查GPIO配置是否为“输入浮空”；
• 确认RXNEIE和NVIC_EnableIRQ()均已设置；
• 查看中断向量名称是否拼写正确（USART1_IRQHandler不是Usart1_IRQHandler）；
• 若使用Keil，确认启动文件包含该中断。

❌ 问题3：连续接收时出现ORE（溢出错误）

这是典型的CPU来不及处理中断的表现。

解决方案：
- 提高中断优先级：NVIC_SetPriority(USART1_IRQn, 0);
- 使用DMA接管接收任务，CPU只需定期取数据即可；
- 引入环形缓冲区（Ring Buffer）暂存多条消息。

设计建议：让串口更稳定可靠

进阶方向：不止于“打印hello world”

掌握了基础寄存器操作后，你可以进一步探索：

🧩 结合FreeRTOS实现异步通信任务

void vUartTask(void* pvParams) { char rx; for (;;) { if (xQueueReceive(xUartRxQueue, &rx, portMAX_DELAY)) { process_command(rx); } } }

利用队列解耦中断与业务逻辑，实现真正的实时响应。

💾 使用DMA实现高速数据上传

比如采集ADC数据并通过串口实时传送到上位机分析，吞吐量可达数百KB/s以上，完全解放CPU。

📦 构建自定义协议栈

基于串口实现Modbus RTU、YModem文件传输、JSON参数配置等功能，让你的小系统也能“联网对话”。

写在最后：串口虽老，历久弥新

有人说：“现在都无线通信时代了，谁还用串口？”

可现实是：

• 每一块开发板的第一行输出，依然是“System Clock: 72MHz”；
• 每一次固件升级失败，最终都要靠串口看日志定位问题；
• 每一台工业设备的故障诊断接口，大多仍是DB9串口。

UART或许是最古老的通信协议之一，但它永远是嵌入式世界的“第一道光”。

当你学会用手指敲出第一个usart1_putc('A')，并看着字符出现在屏幕上时，那种掌控硬件的快感，是任何图形化工具都无法替代的。

所以，别怕麻烦，动手试一次吧。
哪怕只是点亮一个串口，你也已经迈出了成为真正嵌入式工程师的第一步。

如果你在实践中遇到了问题，欢迎留言交流。我们一起debug，一起成长。