2026年温泉工程公司推荐：五大服务商拆解评测及长期合作评价排名终极 - 十大品牌推荐
2026/1/17 8:57:40
从零实现UART发送：一个嵌入式工程师的底层实践课
你有没有过这样的经历？代码烧进去，串口助手打开，满怀期待地等着“Hello World”出现——结果屏幕上全是乱码，或者干脆一片空白。这时候，你会不会下意识地怀疑是不是线接反了？波特率设错了？甚至开始怀疑人生？
别急，这正是我们今天要解决的问题。
在STM32开发中，能用库函数点亮LED只是入门；而能从寄存器层面让串口吐出第一个字节，才算真正踏进了嵌入式系统的大门。本文不讲HAL，不谈CubeMX，我们要做的，是亲手把一个字节，通过GPIO引脚，一比特一比特地“推”出去。
这不是模拟（bit-banging），而是利用MCU内置的UART硬件模块，直接操作寄存器，完成一次完整的串行数据发送。整个过程不依赖任何高级驱动，目标明确：让你看清楚每一个环节背后发生了什么。
为什么非得“从零”写一遍UART？
现在大多数项目都用HAL或LL库，几行MX_USART1_UART_Init()就搞定了。那为什么还要费劲去写寄存器？
因为——
当你遇到启动阶段无法使用RTOS、内存紧张不能加载完整库、甚至Bootloader里需要最简日志输出时，你会需要一段只靠几个寄存器就能打出调试信息的代码。
更重要的是，只有亲手配置过时钟、算过波特率、等过TXE标志位，你才会真正理解“异步串行通信”到底是什么意思。
这不是复古，这是基本功。
我们要做什么？目标拆解
我们的最终目标很简单：
上电后，通过PA9引脚（USART1_TX），以115200波特率，持续发送字符串
"Hello, UART!\r\n"。
为实现这个目标，我们需要一步步完成以下任务：
- 使能相关外设时钟
- 配置TX引脚为复用推挽输出
- 计算并设置正确的波特率
- 配置UART基本参数（8N1）
- 编写轮询方式的字节发送函数
- 验证输出：用串口助手看到清晰可读的文字
每一步我们都将直接操作STM32F1系列的寄存器，拒绝封装，拒绝抽象。
第一步：让外设“活过来”——时钟与GPIO初始化
所有外设工作的前提是什么？通电 + 有时钟。
在STM32中，“通电”就是使能RCC（Reset and Clock Control）中的对应时钟。没有这一步，哪怕你写了再多寄存器，也是对空气操作。
1.1 时钟使能：先给USART和GPIO供电
// 启用GPIOA和USART1时钟 RCC->APB2ENR |= RCC_APB2ENR_IOPAEN; // GPIOA时钟开 RCC->APB2ENR |= RCC_APB2ENR_USART1EN; // USART1时钟开这里有个细节：USART1挂在APB2总线上，而APB2最高支持72MHz（假设系统时钟已配好）。如果你用的是USART2，则要操作APB1时钟寄存器RCC->APB1ENR。
⚠️ 常见坑点：忘了开时钟 → 寄存器写不进去，现象是“配置无效”。
1.2 配置PA9为复用功能推挽输出
PA9是默认的USART1_TX引脚。它不是普通IO，必须工作在“复用推挽输出”模式下，才能由UART硬件接管控制权。
STM32F1的GPIO高8位（PA8~PA15）由CRH寄存器控制：
// 清除PA9原有配置（4位MODE + 4位CNF） GPIOA->CRH &= ~(0xF << (9 - 8)*4); // 设置为：输出速度50MHz（MODE[1:0]=11），复用推挽输出（CNF[1:0]=10） GPIOA->CRH |= (GPIO_CRH_MODE9_1 | GPIO_CRH_MODE9_0); // 50MHz GPIOA->CRH |= (GPIO_CRH_CNF9_1); // 复用推挽| 位域 | 含义 |
|---|---|
| MODE9[1:0] = 11 | 最大输出速度50MHz |
| CNF9[1:0] = 10 | 复用功能，推挽输出 |
✅ 小贴士：为什么不用CNF9[0]？因为在复用推挽模式下，CNFy[1:0] =
10即可，无需额外设置。
至此，物理通道已经准备就绪：PA9可以输出UART信号了。
第二步：让节奏“对上”——精确生成波特率
UART是异步通信，没有共享时钟线。双方只能靠“约定好的速率”来采样数据。如果MCU发得快，PC收得慢，就会错位，导致乱码。
所以，波特率必须足够精确。一般要求误差小于±2%。
2.1 波特率怎么来的？
STM32的UART模块采用16倍过采样机制：每个bit周期内采样16次，取中间第8次作为判决值，抗干扰能力强。
其波特率由以下公式决定：
[
\text{DIV} = \frac{f_{\text{PCLK}}}{16 \times \text{BaudRate}}
]
其中：
- ( f_{\text{PCLK}} ) 是APB总线频率（这里是APB2=72MHz）
- BaudRate 是目标波特率（如115200）
代入数值：
[
\text{DIV} = \frac{72,000,000}{16 \times 115200} \approx 39.0625
]
这个值要拆成整数部分（mantissa）和小数部分（fraction），写入BRR寄存器。
- 整数部分：39 → 0x27
- 小数部分：0.0625 × 16 ≈ 1 → 0x1
所以BRR = 0x271
2.2 写入BRR寄存器
void uart_set_baudrate(USART_TypeDef* usart, uint32_t baud) { uint32_t pclk = 72000000; // 应动态获取，此处简化 uint32_t div = (pclk + 8 * baud) / (16 * baud); // 四舍五入 usart->BRR = div; } // 调用 uart_set_baudrate(USART1, 115200);🔍 技巧说明：
(pclk + 8*baud)/(16*baud)实现了四舍五入，比直接截断更准。
你可以手动验证：72000000 / (16 * 115200) = 39.0625→ 四舍五入后为39，即0x271，正确。
第三步：启动UART发动机——配置与使能
现在硬件通道有了，节奏也定了，接下来就是“点火”。
3.1 配置UART参数：8数据位，1停止位，无校验（8N1）
这些参数其实都在一个寄存器里搞定：USART1->CR1
// 配置CR1：启用发送，8N1模式（默认就是8N1） USART1->CR1 = 0; // 先清零 USART1->CR1 |= USART_CR1_TE; // 使能发送 USART1->CR1 |= USART_CR1_UE; // 使能USART就这么简单？没错。
因为STM32复位后默认就是8位数据、1位停止、无校验。我们只需要打开发送功能（TE）和整体使能（UE）即可。
如果你想改其他格式，比如9位数据或偶校验，才需要动CR1的其他位或设置CR2。
3.2 等待线路空闲，准备发送
虽然还没开始发数据，但建议在首次发送前等待一下状态寄存器：
while (!(USART1->SR & USART_SR_TC)); // 确保上次传输完成（初次运行可省略）这是个好习惯，尤其在复位后立即发送时，避免状态异常。
第四步：真正发出第一个字节！
终于到了激动人心的时刻。
UART发送的核心逻辑非常清晰：
- 查询状态寄存器（SR），看是否允许写入新数据；
- 当
TXE（Transmit Data Register Empty）标志置位时，表示TDR空，可以写； - 往
DR寄存器写入一个字节； - 硬件自动将其移位输出；
- 移位完成后，
TC（Transmission Complete）标志置位。
我们来封装两个函数：
4.1 发送单个字节
void usart_send_byte(USART_TypeDef* usart, uint8_t data) { // 等待TDR为空 while (!(usart->SR & USART_SR_TXE)) { // NOP，忙等待 } // 写入数据寄存器 usart->DR = data; // 可选：等待整个字符帧发送完成 // while (!(usart->SR & USART_SR_TC)); }📌 注意：
DR寄存器是双用途的——写的时候是TDR（发送数据寄存器），读的时候是RDR（接收数据寄存器）。硬件会根据操作方向自动切换。
4.2 发送字符串
有了单字节发送，字符串就容易了：
void usart_send_string(USART_TypeDef* usart, const char* str) { while (*str) { usart_send_byte(usart, *str++); } }完整主程序演示
现在把这些拼起来，放进main()函数：
int main(void) { // 1. 初始化GPIO与时钟 RCC->APB2ENR |= RCC_APB2ENR_IOPAEN | RCC_APB2ENR_USART1EN; GPIOA->CRH &= ~(0xF << 4); // PA9 清零 GPIOA->CRH |= (0xB << 4); // MODE9=11 (50MHz), CNF9=10 (AF PP) // 2. 设置波特率 uart_set_baudrate(USART1, 115200); // 3. 使能USART发送 USART1->CR1 |= USART_CR1_TE | USART_CR1_UE; // 4. 循环发送 while (1) { usart_send_string(USART1, "Hello, UART!\r\n"); for (volatile int i = 0; i < 1000000; i++); // 简单延时 } }编译、下载、打开XCOM或PuTTY，选择对应COM口，设置115200、8N1，你将看到：
Hello, UART! Hello, UART! Hello, UART! ...每一行都是你亲手“推”出去的。
常见问题排查清单
| 问题现象 | 可能原因 | 解决方法 |
|---|---|---|
| 屏幕乱码 | 波特率不匹配 | 检查MCU时钟是否真是72MHz，PC端设置是否一致 |
| 一个字都收不到 | 引脚配置错误或未开时钟 | 查RCC->APB2ENR和GPIOA->CRH是否正确 |
| 只发一次就停了 | 忘记加延时或中断冲突 | 加软件延时，关闭全局中断测试 |
| 字符粘连 | 发送太快没等TXE | 确保每次发送前都轮询TXE标志 |
| PC收不到 | 电平不匹配 | 使用USB转TTL模块（CH340G/CP2102），不要直连USB |
💡 推荐工具：逻辑分析仪抓PA9波形，一眼看出波特率和帧结构是否正确。
更进一步：我们可以做什么？
你现在掌握的是一套“最小可用”的串口输出能力。在此基础上，可以轻松扩展出更多实用功能：
✅ 重定向printf
只需重写fputc函数：
int fputc(int ch, FILE *f) { usart_send_byte(USART1, ch); return ch; }然后就可以直接用printf("Value: %d\r\n", x);打印变量了。
✅ 构建简易CLI（命令行接口）
接收部分加上中断，就能做简单的命令解析器：
if (received_cmd == "ledon") { LED_ON(); }适合远程调试设备。
✅ 移植到任意MCU
这套思路适用于几乎所有ARM Cortex-M系列芯片。只要知道：
- 对应的RCC使能位
- GPIO模式配置方式
- UART寄存器映射
就能快速移植。
写在最后：每一个比特都值得被看见
当我们习惯了Serial.println()这种高级封装，很容易忘记底层究竟发生了什么。但正是这些看似繁琐的寄存器配置、波特率计算、标志位查询，构成了嵌入式系统的根基。
掌握UART发送，不是为了替代HAL库，而是为了在库失效时仍有能力自救。
下次当你面对一块新板子，没有任何调试信息输出时，请记住：
只要还有一根TX线，还有一个串口助手，你就还有机会让它“说话”。
而这一切，始于你对BRR、CR1、SR、DR这几个寄存器的理解。
现在，轮到你动手试试了——
能不能让你的MCU，在没有库的情况下，说出第一句“Hello”？
欢迎在评论区晒出你的实验结果，我们一起debug。