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从寄存器到通信：在STM32上手写一个可靠的串口驱动

你有没有遇到过这样的情况——项目紧急，板子焊好了，代码跑不起来，串口没输出？用CubeMX生成的代码太大，Bootloader里塞不下；HAL库又太“重”，还藏着你看不见的坑。这时候，如果能自己动手、从零配置一个干净利落的串口通信，那感觉，就像在荒野中点亮了一盏灯。

今天我们就来干这件事：不用任何库函数，不依赖CubeMX，直接操作寄存器，在STM32F103上实现一套完整的中断式串口收发系统。这不是理论课，是实打实的“裸机编程”实战，适合想真正搞懂外设机制的工程师，也适合需要精简固件或调试底层问题的开发者。

为什么还要学寄存器级串口配置？

你说现在都有HAL和LL库了，动动鼠标就能出代码，为啥还要啃寄存器？

因为——当你面对的是Bootloader、安全启动、资源极度受限的MCU，或者某个莫名其妙丢数据的问题时，那些封装好的API反而成了黑盒。

而当你亲手写过一遍USART->BRR = ...，调过一次NVIC优先级，清过一次溢出标志位，你就知道：

• 哪些步骤不能少
• 哪些顺序不能乱
• 哪些错误会悄悄吞噬你的数据

这才是嵌入式开发的底气。

先看一眼硬件：USART到底是怎么工作的？

我们常说“串口”，其实在STM32里叫USART（通用同步/异步收发器）。它支持同步和异步两种模式，但我们最常用的，就是异步串行通信（UART模式）。

它的基本帧结构很简单：

[起始位] [数据位(8)] [校验位(可选)] [停止位(1)]

发送方和接收方没有共用时钟，全靠事先约定好的波特率来对齐采样点。比如115200bps，意味着每秒传115200个比特。

STM32内部是怎么做到精准控制这个节奏的呢？核心靠三个部分：

1. 波特率发生器：基于PCLK分频，算出一个叫USARTDIV的值，填进BRR寄存器；
2. 移位寄存器：把并行字节变成一位一位往外推；
3. 状态机与中断逻辑：告诉你“可以发了”、“有数据来了”。

整个过程不需要CPU一直盯着，只要设置好中断，剩下的交给硬件自动完成。

第一步：打开时钟——所有初始化的前提

在STM32的世界里，一切外设操作都始于时钟使能。没电的东西，再聪明也没用。

我们要用的是 USART1，它是挂在 APB2 总线上的（比APB1快），对应的IO口是PA9（Tx）、PA10（Rx），属于GPIOA。

所以第一步，必须打开这三个时钟：
- GPIOA 时钟
- AFIO 时钟（即使不用重映射，F1系列也要开）
- USART1 时钟

RCC->APB2ENR |= RCC_APB2ENR_IOPAEN // 使能GPIOA | RCC_APB2ENR_AFIOEN // 使能AFIO（F1必需） | RCC_APB2ENR_USART1EN; // 使能USART1

⚠️ 注意顺序：一定要先开时钟，再配置引脚！否则你写的寄存器可能根本不起作用。

第二步：配置GPIO复用——让PA9和PA10“改行”

默认情况下，PA9和PA10就是普通IO口。要让它变成串口Tx/Rx，就得启用“复用功能”（Alternate Function）。

对于STM32F1系列：
- PA9 → USART1_Tx → 复用推挽输出
- PA10 → USART1_Rx → 浮空输入（也可以上拉）

我们通过GPIOA->CRH寄存器来配置这两个引脚（因为它们属于高8位端口PIN8~15）：

// 清除PA9和PA10原有配置 GPIOA->CRH &= ~(0xFF << 4); // 清CRH中CNF9和MODE9 GPIOA->CRH &= ~(0xF << 8); // 清CNF10和MODE10 // 配置PA9为复用推挽输出，最大速度50MHz GPIOA->CRH |= (0xB << 4); // 1011: MODE=11, CNF=11 → AF PP // 配置PA10为浮空输入 GPIOA->CRH |= (0x4 << 8); // 0100: MODE=00, CNF=01 → Floating Input

🔍 小知识：为什么Tx要用推挽？为了驱动能力强，信号边沿陡峭；Rx设为浮空是因为通常由外部设备拉低，内部无需主动驱动。

第三步：计算并设置波特率

这是最容易出错的地方之一。很多人以为随便设个数就行，结果通信不稳定、乱码频发。

STM32使用公式：

$$
\text{Baud Rate} = \frac{f_{PCLK}}{16 \times \text{USARTDIV}}
$$

其中USARTDIV是一个带小数的数，存储在BRR寄存器中，格式为：
- 高12位：整数部分（DIV_Mantissa）
- 低4位：小数部分（DIV_Fraction）

假设系统时钟72MHz，PCLK2也是72MHz（USART1挂APB2），目标波特率115200：

$$
\text{USARTDIV} = \frac{72000000}{16 \times 115200} ≈ 39.0625
$$

于是：
- 整数部分 = 39
- 小数部分 = 0.0625 × 16 ≈ 1

所以BRR = (39 << 4) | 1

USART1->BRR = (39 << 4) | 1;

✅ 推荐做法：写一个宏来自动生成BRR值，避免手动计算错误。

#define UART_BRR(pclk, baud) ((pclk) / (baud * 16))

但注意，这只是一个近似值，实际应用中建议测试误差是否小于3%。

第四步：配置USART控制寄存器

接下来是关键一步：告诉USART我要干什么。

我们需要设置：
- 使能发送（TE）和接收（RE）
- 使能接收中断（RXNEIE）
- 使能USART本身（UE）

这些都在CR1寄存器里搞定：

USART1->CR1 = 0; // 先清零，避免残留位影响 USART1->CR1 |= USART_CR1_TE // 使能发送 | USART_CR1_RE // 使能接收 | USART_CR1_RXNEIE // 使能接收中断 | USART_CR1_UE; // 启动USART

其他参数如数据位（8/9）、校验位等也可以在这里设置：
-M位控制字长（0=8位，1=9位）
-PCE和PS控制是否开启奇偶校验

目前我们用最常见组合：8N1（8数据位，无校验，1停止位），保持默认即可。

第五步：开启NVIC中断，让CPU响应事件

光开了外设中断还不行，还得让CPU的中断控制器（NVIC）允许这个中断进来。

USART1 的中断向量号是 37，在CMSIS中定义为USART1_IRQn。

NVIC_EnableIRQ(USART1_IRQn);

如果你的系统中有多个中断，还可以设置优先级：

NVIC_SetPriority(USART1_IRQn, 5); // 设置优先级为5

这样当数据到来时，CPU就会暂停当前任务，跳转到中断服务程序去处理。

第六步：编写中断服务函数——真正干活的地方

中断来了之后做什么？两件事：
1. 判断是不是接收中断（RXNE置位）
2. 读取DR寄存器拿数据，并存入缓冲区

这里我们引入一个环形缓冲区，防止高速输入时数据被覆盖。

#define RX_BUFFER_SIZE 64 uint8_t rx_buffer[RX_BUFFER_SIZE]; volatile uint16_t rx_head = 0; // 写指针 void USART1_IRQHandler(void) { if (USART1->SR & USART_SR_RXNE) { // 接收到新数据？ uint8_t data = USART1->DR; // 读DR自动清除标志 rx_buffer[rx_head % RX_BUFFER_SIZE] = data; rx_head++; } }

🧠 关键点解释：
-volatile是必须的，告诉编译器别优化掉这个变量。
-% RX_BUFFER_SIZE实现循环索引，空间满了就从头覆盖（可根据需求改为防溢出策略）。
- 读DR寄存器的同时会清除RXNE标志，这是硬件设计决定的。

补充：实现非阻塞发送

虽然接收用了中断，但发送我们可以选择更灵活的方式。

方式一：轮询发送（简单实用）

适用于偶尔发几个字节，比如打印调试信息。

void usart_send_byte(uint8_t byte) { while (!(USART1->SR & USART_SR_TXE)); // 等待发送寄存器空 USART1->DR = byte; } void usart_send_string(const char* str) { while (*str) { usart_send_byte(*str++); } }

方式二：中断发送（适合连续大数据）

如果你想发一包数据而不卡主线程，可以用TXE中断。

思路是：
- 第一个字节手动写入DR触发发送；
- 每次TXE中断检查是否有更多数据要发；
- 发完最后一个字节后关闭TXEIE。

这种方式稍复杂，但在实时系统中很有价值。

常见“踩坑”与调试秘籍

别以为写了代码就万事大吉，下面这些坑我全都踩过：

❌ 数据乱码？

• 检查PCLK频率是否正确（尤其是倍频后）；
• 波特率计算有没有四舍五入偏差；
• 双方是否都是8N1？Windows串口助手常默认有校验位！

❌ 收不到中断？

• NVIC有没有使能？
• 是否忘了开全局中断__enable_irq()？
• 引脚接反了？Tx连Tx？

❌ 缓冲区溢出？

• 中断处理太慢，主循环来不及消费数据；
• 解决方案：加DMA，或者提高中断优先级。

❌ ORE（溢出错误）频繁出现？

• CPU来不及处理上一条数据，新数据又到了；
• 检查中断是否被长时间屏蔽（比如关总中断太久）；
• 考虑增加硬件流控或降低波特率。

实际应用场景举例

这套轻量级串口驱动特别适合以下场景：

✅ Bootloader通信协议

• 接收PC下发的固件包
• 使用简单的帧格式（如SOH + LEN + DATA + CRC + EOT）
• 主循环解析命令，中断负责收数据

✅ 传感器数据透传

• STM32采集ADC、温湿度，通过串口转发给网关
• 不用手动轮询，节省功耗

✅ 多机协同控制

• 多块STM32之间用串口组网
• 每台分配地址，支持广播/点对点

进阶方向：你可以继续做什么？

你现在掌握的只是一个起点。下一步可以尝试：

• 加入DMA：实现零CPU干预的大批量收发；
• 实现软件流控：用XON/XOFF应对缓冲压力；
• 添加超时机制：识别不定长帧结束（如JSON字符串）；
• 封装成标准接口：提供read()/write()类POSIX API；
• 移植到其他型号：F4/F7/H7系列寄存器略有不同，但原理一致。

甚至可以用这套思想去理解Linux下的TTY子系统——底层逻辑永远相通。

写在最后：回归本质的力量

在这个动辄调用.init()函数的时代，愿意静下心来看一眼BRR寄存器的人越来越少。

但正是这些看似“过时”的技能，让你在芯片启动的第一毫秒就能掌控全局，在别人还在查HAL库bug的时候，你已经把第一行日志打出来了。

真正的自由，不是依赖多少工具，而是知道工具背后的真相。

下次当你面对一块新的MCU，没有CubeMX支持，也没有现成例程时，希望你能想起今天这一课：
从时钟开始，一步步点亮串口，让两个世界第一次对话。

如果你实现了自己的串口驱动，欢迎在评论区分享你的经验。