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学习 USART 时，容易记住一堆寄存器和初始化函数，却不知道怎样把它们组合成一个完整功能。这篇笔记以STM32F407、USART1、HAL 库为例，把串口基础和程序设计连接起来。

目标功能很简单：电脑发送字符1，开发板亮红灯，再向电脑回复一条消息。

这项功能可以拆成两条数据通路：

接收： 电脑 → USB转串口芯片 → USART RX → 接收中断 → 接收缓冲区 ↓ fgetc() → getchar() ↓ 主循环解析命令 ↓ 控制LED 发送： 主循环 → printf() → fputc() → HAL_UART_Transmit() → USART TX → 电脑

串口硬件负责收发，中断负责及时保存数据，缓冲区暂存数据，主循环决定收到数据后做什么。

本文中的寄存器和引脚说明针对 STM32F407。代码用于说明构建思路，采用正常收发路径的骨架形式；接收队列、LED 驱动、系统时钟和错误恢复需要结合工程实现。标准输入输出重定向以 Keil/Arm C 库的 MicroLIB 方案为例。

1. 先分清串行、同步、异步和 USART

1.1 串行与并行：一位位传，还是多位同时传

假设要传送 8 位数据10100101：

这里说的是数据线，实际连接还可能需要时钟、控制和地线。串行、并行本身不能直接决定哪一种实际速度更快。

1.2 同步与异步：接收方怎样确定读取时刻

对常见的单片机接口，可以先这样理解：

• 同步通信：例如 SPI，接收方根据时钟信号，在约定的边沿采样。
• 异步串口通信：收发双方没有单独连接的共享时钟线，先约定波特率和帧格式；接收方检测起始位后，用自己的时钟安排采样。

**异步串口内部仍然需要时钟。**它只是没有把时钟通过一根独立的线传给对方。这也是双方的波特率误差不能过大的原因。

以上是常见接口的入门理解；同步通信还存在将时钟信息编码到信号中的形式。

1.3 UART 与 USART

STM32 的 USART1 可以工作在普通异步串口模式。使用 HAL 时，这种模式对应的是UART_HandleTypeDef和HAL_UART_Init()。

所以，下面两个名称同时出现完全正常：

UART_HandleTypeDef huart1; huart1.Instance = USART1;

USART1指硬件外设；HAL_UART_*表示使用 HAL 的异步串口驱动接口。ST 官方 HAL UART 驱动说明

2. TTL、RS-232、USB 转串口：分别解决什么问题

2.1 数据格式与电压表示是两件事

同一个字符A，可以使用不同的电平标准传输。

“TTL 串口”是常见叫法，也经常包含 3.3V CMOS 电平串口。表中的电压是示例，RS-232 不要求一定使用 ±9V 或 ±15V；其数据逻辑极性与普通控制器电平不同。TI 对 RS-232 电压极性的说明

RS-232 较大的电压摆幅有助于提高噪声容限，但并不代表它适合所有距离和干扰环境。具体还受线缆、速率和接地等因素影响。

RS-232 信号不能直接接到普通 STM32 UART 引脚上。

2.2 CH340 为什么能直接和开发板通信

常见的 USB 转控制器电平串口连接是：

电脑 USB口 ←→ CH340 等 USB转串口芯片 ←→ STM32 的 TX、RX

RS-232 连接则是：

STM32 UART ←→ 电平转换芯片 ←→ RS-232电缆 ←→ 对端RS-232接口

前一种连接不需要经过 RS-232。具体模块输出什么电平，要看模块电路和配置，不能仅凭“USB 转串口”这几个字判断。

2.3 TX、RX、GND 怎样接

在两端都按自身收发方向标注引脚的情况下：

设备A TX ──→ 设备B RX 设备A RX ←── 设备B TX 设备A GND ── 设备B GND

TX 是发送，RX 是接收。GND 为普通非隔离连接提供共同的电压参考。

DB9 是连接器形式，不是电平转换芯片。常见电脑 DTE 接口的 2 脚是接收、3 脚是发送、5 脚是信号地。DTE 接 DCE 时，同编号直通可以实现一端输出接另一端输入；两端都是 DTE 时，通常需要交叉连接数据线。接线以设备引脚定义为准，不能只看公头、母头。NI 关于直通线与交叉线的说明

3. 波特率与数据帧：线上究竟在传什么

3.1 波特率决定每一位持续多久

波特率表示每秒传送的码元数量。在这里的普通二进制 UART 中，一个码元携带一位，所以数值上等于每秒传输的位数。

以 9600 波特为例：

每位时间 = 1 / 9600 秒 ≈ 104.17 微秒

它不是每秒传送 9600 个字节，也不是每秒传送 9600 个可见字符。

3.2 8N1 是什么意思

8：8 个数据位 N：无奇偶校验 1：1 个停止位

一帧的组成是：

起始位0 → 数据位 → 可选校验位 → 停止位1

对普通、未反相的控制器电平 UART：空闲状态为高电平，起始位为低电平，停止位为高电平。

发送字符A时，ASCII 编码为0x41，二进制写作01000001。UART 通常低位先发：

起始位 │ D0 D1 D2 D3 D4 D5 D6 D7 │ 停止位 0 │ 1 0 0 0 0 0 1 0 │ 1

8N1 每发送一个数据字节，需要1 + 8 + 1 = 10个位时间。因此，9600 波特时一个字节约耗时1.04 ms；连续发送时理论有效吞吐量约为960 字节/秒，还未考虑帧间空闲。

3.3 奇偶校验检查什么

• 偶校验：数据位与校验位中，1的总数为偶数。
• 奇校验：数据位与校验位中，1的总数为奇数。
• 起始位、停止位不参与这个计数。

A的数据位中有两个1，所以偶校验位填0，奇校验位填1。

奇偶校验能发现部分错误，不能自动纠正错误，也不能检测所有多位错误。

**STM32F407 的字长设置有一个细节：启用校验后，校验位占用配置字长中的最高一位。**因此，8 个有效数据位加 1 个校验位，通常需要配置 9 位字长；8N1 则使用 8 位字长、无校验。其他 STM32 型号应查各自手册。STM32F407 参考手册 RM0090

4. USART 内部怎样发送、接收一个字节

4.1 发送与接收路径

发送： CPU/DMA → 发送数据寄存器TDR → 发送移位寄存器 → TX引脚 接收： RX引脚 → 接收移位寄存器 → 接收数据寄存器RDR → CPU/DMA

数据寄存器暂存一个数据字，移位寄存器负责把它与“一位一位传输”的形式互相转换。

在 STM32F407 上，软件通过USART_DR访问数据：

• 写DR：提交待发送的数据。
• 读DR：取出收到的数据。

**读 DR 不会读回自己刚写入的发送内容。**发送和接收内部有不同的存储位置。

4.2 必须分清 TXE、TC、RXNE

例如连续发送A、B：

A 进入移位寄存器 → TDR 空了，TXE=1，但 A 可能还在发送 CPU 把 B 放进 TDR → B 等待 A 发完 B 进入移位寄存器 → TDR 再次空了，TXE=1，但 B 可能还在发送 B 连停止位都发完，TDR 也空 → TC=1

**TXE 关心“还能不能放入数据”，TC 关心“是否已经完全发出”。**它们与发送一个字符还是多个字符没有直接对应关系。

收到一个数据字后，硬件置位 RXNE；在本芯片上，读取 DR 会清除 RXNE。接收不及时可能产生溢出错误，实际工程应处理 ORE 等错误状态。

4.3 为什么有 8 倍和 16 倍过采样

接收方用更快的内部节奏观察 RX 电平，帮助判断每一位的值。在三点多数判决模式下，使用靠近位中心的三个采样点决定该位是 0 还是 1。

这些是硬件时钟给出的上限关系，实际还受器件工作条件等约束。**两种模式都配置成 115200 时，线上通信速率相同。**采样过程由硬件完成，不需要 CPU 每位执行 8 次或 16 次读引脚操作。RM0090：USART 接收与过采样

5. 功能设计的重点：把硬件接收、数据保存和命令处理分开

这里选择一种适合入门命令控制的方案：

阻塞发送 + 中断接收 + 软件接收队列 + 主循环处理命令。

阻塞发送方便接入printf()；中断接收能在主循环忙于其他事情时及时保存输入。

5.1 为什么需要接收队列

如果电脑快速发送123，主循环还在处理1，中断已经可能收到2、3。

中断收到：1 → 2 → 3 队列保存：[1][2][3] 主循环按顺序取出并处理

单个全局变量可能被后来的字符覆盖。环形队列通过数组和读写位置保存多条待处理数据，但容量仍然有限。

本文用以下自定义接口表示队列，它们不是 HAL 库函数：

void RxQueue_Init(void); bool RxQueue_PushFromISR(uint8_t data); // 成功返回true，队列满返回false bool RxQueue_Pop(uint8_t *data); // 成功返回true，队列空返回false

队列设计要明确：

• 中断负责写，主循环负责读，保持先进先出。
• 队列满时采用明确策略，例如丢弃新字节并累计溢出计数；中断中不能等待队列腾出空间。
• 读写共享状态要正确同步，必要时使用很短的临界区。仅加volatile不等于解决全部并发问题。
• 队列长度根据输入突发量和主循环的处理速度确定。

5.2 文件怎样安排

bsp_debug_usart.h 引脚定义、句柄声明、对外接口 bsp_debug_usart.c 串口初始化、接收队列、接收完成回调 stm32f4xx_it.c USART1中断入口 retarget.c fputc、fgetc重定向 bsp_led.c / .h RGB灯驱动 main.c 初始化、菜单、命令处理

同一个串口句柄在.c文件中定义一次，在头文件中用extern声明：

// bsp_debug_usart.c UART_HandleTypeDef huart1 = {0}; // bsp_debug_usart.h extern UART_HandleTypeDef huart1;

6. 第一步：配置 GPIO、USART 和 NVIC

6.1 先确定硬件和通信参数

本例使用：

USART1_TX：PA9，AF7 USART1_RX：PA10，AF7 波特率：115200 数据位：8 奇偶校验：无 停止位：1 硬件流控：无 过采样：16倍

PA9/PA10 的 AF7 对应 USART1；同一串口可能还有其他可选引脚，要结合芯片封装和开发板电路选择。STM32F405/407 数据手册引脚复用表

STM32F407 的 USART1、USART6 使用 APB2 时钟，USART2、USART3、UART4、UART5 使用 APB1 时钟。在常见的 168MHz 系统配置下，APB2 为 84MHz、APB1 为 42MHz。CPU 频率不等于串口外设时钟，也不等于波特率。

普通无流控异步通信不需要连接 CK、RTS、CTS。RTS/CTS 是控制收发节奏的硬件流控信号；是否支持这些引脚，要看具体外设型号。

6.2 配置底层硬件

采用 HAL MSP 回调方式时，在HAL_UART_MspInit()中准备时钟、引脚和 NVIC：

void HAL_UART_MspInit(UART_HandleTypeDef *huart) { if (huart->Instance != USART1) { return; } __HAL_RCC_GPIOA_CLK_ENABLE(); __HAL_RCC_USART1_CLK_ENABLE(); GPIO_InitTypeDef gpio = {0}; gpio.Pin = GPIO_PIN_9 | GPIO_PIN_10; gpio.Mode = GPIO_MODE_AF_PP; gpio.Pull = GPIO_PULLUP; gpio.Speed = GPIO_SPEED_FREQ_VERY_HIGH; gpio.Alternate = GPIO_AF7_USART1; HAL_GPIO_Init(GPIOA, &gpio); HAL_NVIC_SetPriority(USART1_IRQn, 5, 0); // 优先级按整个工程安排 HAL_NVIC_EnableIRQ(USART1_IRQn); }

GPIO_MODE_AF_PP配合 AF7，把引脚交给 USART 外设控制；RX 仍执行接收功能。gpio.Speed配置引脚输出特性，不是设置串口波特率。

HAL 中的默认 MSP 函数通常是弱定义。工程提供同名的普通定义后，初始化会使用工程中的实现。同名函数只保留一个有效实现，已有 CubeMX 生成代码时应在原有函数中整合。

6.3 填写参数并初始化 USART

void DebugUart_Init(void) { huart1.Instance = USART1; huart1.Init.BaudRate = 115200; huart1.Init.WordLength = UART_WORDLENGTH_8B; huart1.Init.StopBits = UART_STOPBITS_1; huart1.Init.Parity = UART_PARITY_NONE; huart1.Init.Mode = UART_MODE_TX_RX; huart1.Init.HwFlowCtl = UART_HWCONTROL_NONE; huart1.Init.OverSampling = UART_OVERSAMPLING_16; if (HAL_UART_Init(&huart1) != HAL_OK) { Error_Handler(); } }

**填写结构体是在准备配置；调用初始化函数才会把配置应用到硬件。**初次初始化时，HAL_UART_Init()会调用 MSP 初始化路径，配置寄存器并启用 UART。

这一阶段 NVIC 已允许 USART1 中断，但还需要启动具体的接收操作。ST HAL 初始化流程

7. 第二步：连接中断入口、HAL 处理函数和接收回调

7.1 启动第一次接收

接收变量要在异步接收期间一直有效，因此可以放在文件作用域：

static uint8_t rx_byte; static volatile uint32_t rx_queue_overflow; static volatile bool rx_restart_failed; void DebugUart_StartReceive(void) { if (HAL_UART_Receive_IT(&huart1, &rx_byte, 1) != HAL_OK) { Error_Handler(); } }

HAL_UART_Receive_IT()的意思是：启动一次中断接收，目标为 1 个字节，收到后放入rx_byte。它启动后返回，不会一直等数据到来。

要区分两层开关：

使用这套 HAL 方案时，接收操作所需的外设中断由HAL_UART_Receive_IT()管理，不再额外手动开启 RXNE，也不在另一条路径直接读取 DR。ST HAL 中断收发接口

7.2 中断入口交给 HAL 处理

在stm32f4xx_it.c中：

void USART1_IRQHandler(void) { HAL_UART_IRQHandler(&huart1); }

HAL 处理接收标志、读取数据并更新内部状态，接收数量达到本次要求后，再调用完成回调。

7.3 回调保存数据，然后继续接收

void HAL_UART_RxCpltCallback(UART_HandleTypeDef *huart) { if (huart->Instance != USART1) { return; } if (!RxQueue_PushFromISR(rx_byte)) { rx_queue_overflow++; } if (HAL_UART_Receive_IT(&huart1, &rx_byte, 1) != HAL_OK) { rx_restart_failed = true; } }

每次接收 1 字节的操作完成后，要再次启动接收，才能按此方式继续收到下一个字节。

收到字符 ↓ USART1_IRQHandler() ↓ HAL_UART_IRQHandler() ↓ HAL_UART_RxCpltCallback() ↓ 保存到队列 → 重新启动接收

回调仍在中断上下文执行，所以应保持简短。打印菜单、阻塞发送、等待输入和复杂命令解析放到主循环。

上面只演示正常路径。完整工程还应在HAL_UART_ErrorCallback()记录并处理串口错误，并安排接收恢复；主循环或专门的服务逻辑也要处理rx_restart_failed。只记录故障标志不会自动恢复接收。需要自动恢复时，也不能让主循环永远阻塞在不检查恢复条件的取字符函数里。

8. 第三步：构建 printf、fputc、getchar、fgetc

8.1 重定向到底改变了什么

printf()负责格式化文字，底层接口负责把文字送到具体设备。

在本文使用的 MicroLIB 方案中：

printf("value=%d\r\n", 10) ↓ 格式化成字符序列 value=10\r\n ↓ fputc() 输出字符 ↓ USART 发送到电脑

这些是 C 标准输入输出接口；HAL UART 提供其底层收发能力。Keil 中按本文方案配置 MicroLIB，并包含<stdio.h>。其他 C 库可能需要实现_write、_read等接口，不能把同一份重定向代码不加区分地套到所有工具链中。Keil 标准输入输出与 MicroLIB 说明

8.2 fputc：发送一个字符

#include <stdio.h> #include "bsp_debug_usart.h" int fputc(int ch, FILE *stream) { uint8_t data = (uint8_t)ch; (void)stream; if (HAL_UART_Transmit(&huart1, &data, 1, 1000) != HAL_OK) { return EOF; } return data; }

最后一个参数是超时限制；在通常的 HAL 毫秒时基下，1000表示 1000ms。它不是固定延时，正常发送完成就会返回。

这是一种阻塞发送方式，适合当前入门实验。发送量较大或存在多个任务时，可进一步设计发送队列、互斥和中断/DMA 发送机制。

8.3 fgetc：从软件队列取一个字符

int fgetc(FILE *stream) { uint8_t data; (void)stream; while (!RxQueue_Pop(&data)) { // 等待队列出现数据；中断仍可接收并写入队列 } return data; }

主循环调用getchar()时，可以通过这条路径得到一个字符。使用int接收返回值，便于保留标准输入接口的EOF表示能力。

**接收中断已经负责硬件接收，fgetc 只从软件队列取数据。**这里不能再同时调用阻塞版HAL_UART_Receive()或直接读取 DR，否则会与中断路径争抢数据。

fgetc()并不是使用串口的必需部分。如果不需要getchar()、scanf()，主循环直接调用RxQueue_Pop()也可以。

本文的fgetc()在无数据时会阻塞主循环。需要同时处理按键、周期任务和接收恢复时，应使用非阻塞取队列方式、状态机，或者在 RTOS 下采用合适的任务等待机制。

9. 第四步：在主循环中处理命令

下面用两个命令演示功能组合。LED_SetRed()、LED_SetGreen()表示由 LED 驱动提供的接口。

int main(void) { HAL_Init(); SystemClock_Config(); LED_GPIO_Config(); RxQueue_Init(); DebugUart_Init(); DebugUart_StartReceive(); printf("发送1亮红灯，发送2亮绿灯\r\n"); while (1) { int ch = getchar(); if (ch == EOF) { continue; } switch (ch) { case '1': LED_SetRed(); printf("红灯已亮\r\n"); break; case '2': LED_SetGreen(); printf("绿灯已亮\r\n"); break; case '\r': case '\n': break; // 忽略串口助手附加的回车换行 default: printf("未知指令：0x%02X\r\n", (unsigned int)ch); break; } } }

这里的getchar()示例只演示正常输入路径，完整工程的队列和故障恢复仍按前文要求补齐。

一次完整交互

1. 开发板上电，初始化 GPIO、USART、队列和接收中断。
2. printf()向电脑输出菜单。
3. 主循环进入getchar()，等待命令。
4. 电脑以文本方式发送1。
5. 接收中断将字符'1'放入队列，并启动下一次接收。
6. getchar()返回'1'，主循环执行LED_SetRed()。
7. printf()发送回复，电脑显示“红灯已亮”。

**字符'1'的编码为0x31，数值1的编码为0x01。**本例匹配case '1'，应在串口助手使用文本发送1；若采用十六进制发送，则发送31。

10. 怎样一步步搭建，避免出错后无从定位

按下面的顺序建立功能，每一步确认现象后再增加下一部分：

调试时可以先使用英文和数字，确认字节收发正确，再处理中文编码与显示问题。