USART/UART 介绍及使用
一、USART/UART 基础介绍
1. 概念与区别
UART（通用异步收发传输器）：仅支持异步通信，通过 TX（发送）、RX（接收）两根信号线实现全双工数据传输，无需时钟同步，依靠波特率、数据位、停止位、校验位等参数保证通信同步。
USART（通用同步异步收发传输器）：兼容 UART 功能，额外支持同步通信（需 SCLK 时钟线），本文以更常用的异步模式（UART）为核心讲解。
2. 核心通信参数
UART 通信的核心参数决定了数据帧的格式，需通信双方完全一致：
波特率：每秒传输的比特数（如 9600、115200），是通信速率的核心指标；
字长：一帧数据的有效位（通常 8 位 / 9 位）；
停止位：一帧数据结束的标志（1 位 / 1.5 位 / 2 位）；
奇偶校验位：用于检错（无校验 / 奇校验 / 偶校验）；
硬件流控：可选（无流控 / RTS/CTS），用于控制数据收发节奏，普通场景无需开启。
二、STM32 HAL 库 UART 核心结构体
1. UART 句柄结构体（UART_HandleTypeDef）
该结构体是 HAL 库操作 UART 的核心，包含外设基地址、配置参数、缓冲区、状态信息、回调函数等：
typedef struct __UART_HandleTypeDef
{
USART_TypeDef *Instance; /*!< UART寄存器基地址 */
UART_InitTypeDef Init; /*!< UART通信参数配置结构体 */
uint8_t *pTxBuffPtr; /*!< 指向UART发送传输缓冲区的指针 */
uint16_t TxXferSize; /*!< UART发送传输的总数据长度 */
__IO uint16_t TxXferCount; /*!< UART发送传输的剩余数据计数器 */
uint8_t *pRxBuffPtr; /*!< 指向UART接收传输缓冲区的指针 */
uint16_t RxXferSize; /*!< UART接收传输的总数据长度 */
__IO uint16_t RxXferCount; /*!< UART接收传输的剩余数据计数器 */
DMA_HandleTypeDef *hdmatx; /*!< UART发送DMA句柄参数 */
DMA_HandleTypeDef *hdmarx; /*!< UART接收DMA句柄参数 */
HAL_LockTypeDef Lock; /*!< 锁对象（用于多任务/中断下的资源保护） */
__IO HAL_UART_StateTypeDef gState; /*!< UART全局状态信息 */
__IO HAL_UART_StateTypeDef RxState; /*!< UART接收操作状态信息 */
__IO uint32_t ErrorCode; /*!< UART错误码 */
#if (USE_HAL_UART_REGISTER_CALLBACKS == 1)
void (* TxHalfCpltCallback)(struct __UART_HandleTypeDef *huart); /*!< 发送完成一半回调 */
void (* TxCpltCallback)(struct __UART_HandleTypeDef *huart); /*!< 发送完成回调 */
void (* RxHalfCpltCallback)(struct __UART_HandleTypeDef *huart); /*!< 接收完成一半回调 */
void (* RxCpltCallback)(struct __UART_HandleTypeDef *huart); /*!< 接收完成回调 */
void (* ErrorCallback)(struct __UART_HandleTypeDef *huart); /*!< 错误回调 */
// 其他回调函数省略
#endif
} UART_HandleTypeDef;
2. UART 初始化结构体（UART_InitTypeDef）
用于配置 UART 核心通信参数：
typedef struct
{
uint32_t BaudRate; /*!< 波特率 */
uint32_t WordLength; /*!< 字长（UART_WORDLENGTH_8B/9B） */
uint32_t StopBits; /*!< 停止位（UART_STOPBITS_1/1_5/2） */
uint32_t Parity; /*!< 校验位（UART_PARITY_NONE/ODD/EVEN） */
uint32_t Mode; /*!< 模式（UART_MODE_TX/RX/TX_RX） */
uint32_t HwFlowCtl; /*!< 硬件流控（UART_HWCONTROL_NONE/RTS/CTS/RTS_CTS） */
uint32_t OverSampling; /*!< 过采样（UART_OVERSAMPLING_16/8，仅部分芯片支持8倍） */
} UART_InitTypeDef;
三、UART 配置与使用步骤
1. 核心配置流程
- 初始化 UART 句柄，配置通信参数（波特率、字长等）；
- 实现底层硬件初始化（GPIO、时钟、中断）；
- 配置中断优先级并使能中断（中断接收场景）；
- 编写中断服务函数及回调函数；
- 实现数据收发逻辑。
2. 完整代码示例
1. 头文件与宏定义（usart.h）
#ifndef __USART_H
#define __USART_H
#include "stm32f1xx_hal.h"
/* 串口宏定义 */
#define USART_UX USART1
#define USART_TX_GPIO_PORT GPIOA
#define USART_TX_GPIO_PIN GPIO_PIN_9
#define USART_RX_GPIO_PORT GPIOA
#define USART_RX_GPIO_PIN GPIO_PIN_10
#define USART_UX_IRQn USART1_IRQn
/* 时钟使能宏 */
#define USART_TX_GPIO_CLK_ENABLE() __HAL_RCC_GPIOA_CLK_ENABLE()
#define USART_RX_GPIO_CLK_ENABLE() __HAL_RCC_GPIOA_CLK_ENABLE()
#define USART_UX_CLK_ENABLE() __HAL_RCC_USART1_CLK_ENABLE()
/* 接收相关配置 */
#define USART_EN_RX 1 /* 使能接收中断 */
#define RXBUFFERSIZE 1 /* 单次中断接收字节数 */
#define USART_REC_LEN 4096 /* 最大接收字节数 */
/* 全局变量声明 */
extern UART_HandleTypeDef g_uart1_handle;
extern uint8_t g_rx_buffer[RXBUFFERSIZE];
extern uint8_t g_usart_rx_buf[USART_REC_LEN];
extern uint16_t g_usart_rx_sta;
/* 函数声明 */
void usart_init(uint32_t baudrate);
#endif
2. 串口底层实现（usart.c）
#include "usart.h"
/* 全局变量定义 */
UART_HandleTypeDef g_uart1_handle; /* UART句柄 */
uint8_t g_rx_buffer[RXBUFFERSIZE]; /* 中断接收临时缓冲区 */
uint8_t g_usart_rx_buf[USART_REC_LEN];/* 接收数据缓冲区 */
uint16_t g_usart_rx_sta = 0; /* 接收状态标志：
bit15：接收完成标志
bit14：接收到回车符(\r)
bit0~13：接收字节数 */
/**
* @brief 串口初始化函数
* @param baudrate：串口波特率
* @retval 无
*/
void usart_init(uint32_t baudrate)
{
/* 1. 初始化UART句柄参数 */
g_uart1_handle.Instance = USART_UX;
g_uart1_handle.Init.BaudRate = baudrate; /* 波特率 */
g_uart1_handle.Init.WordLength = UART_WORDLENGTH_8B; /* 8位数据位 */
g_uart1_handle.Init.StopBits = UART_STOPBITS_1; /* 1位停止位 */
g_uart1_handle.Init.Parity = UART_PARITY_NONE; /* 无校验 */
g_uart1_handle.Init.HwFlowCtl = UART_HWCONTROL_NONE; /* 无硬件流控 */
g_uart1_handle.Init.Mode = UART_MODE_TX_RX; /* 收发双工 */
g_uart1_handle.Init.OverSampling = UART_OVERSAMPLING_16; /* 16倍过采样 */
HAL_UART_Init(&g_uart1_handle); /* 初始化UART */
/* 2. 开启中断接收（HAL库中断接收为单次触发，需在回调中重新开启） */
HAL_UART_Receive_IT(&g_uart1_handle, g_rx_buffer, RXBUFFERSIZE);
}
/**
* @brief UART底层硬件初始化（由HAL_UART_Init调用）
* @param huart：UART句柄指针
* @retval 无
*/
void HAL_UART_MspInit(UART_HandleTypeDef *huart)
{
GPIO_InitTypeDef gpio_init_struct;
if (huart->Instance == USART_UX)
{
/* 1. 使能时钟 */
USART_TX_GPIO_CLK_ENABLE();
USART_RX_GPIO_CLK_ENABLE();
USART_UX_CLK_ENABLE();
/* 2. 配置TX引脚（复用推挽输出） */
gpio_init_struct.Pin = USART_TX_GPIO_PIN;
gpio_init_struct.Mode = GPIO_MODE_AF_PP;
gpio_init_struct.Pull = GPIO_PULLUP;
gpio_init_struct.Speed = GPIO_SPEED_FREQ_HIGH;
HAL_GPIO_Init(USART_TX_GPIO_PORT, &gpio_init_struct);
/* 3. 配置RX引脚（复用输入） */
gpio_init_struct.Pin = USART_RX_GPIO_PIN;
gpio_init_struct.Mode = GPIO_MODE_AF_INPUT;
HAL_GPIO_Init(USART_RX_GPIO_PORT, &gpio_init_struct);
/* 4. 配置中断（使能+优先级） */
#if USART_EN_RX
HAL_NVIC_EnableIRQ(USART_UX_IRQn);
HAL_NVIC_SetPriority(USART_UX_IRQn, 3, 3); /* 抢占优先级3，子优先级3 */
#endif
}
}
/**
* @brief 接收完成回调函数（中断接收完成后触发）
* @param huart：UART句柄指针
* @retval 无
*/
void HAL_UART_RxCpltCallback(UART_HandleTypeDef *huart)
{
if (huart->Instance == USART_UX)
{
if ((g_usart_rx_sta & 0x8000) == 0) /* 未接收完成 */
{
if (g_usart_rx_sta & 0x4000) /* 已接收到回车符(\r) */
{
if (g_rx_buffer[0] != 0x0a) /* 未接收到换行符(\n)，判定接收异常 */
{
g_usart_rx_sta = 0; /* 重置状态 */
}
else
{
g_usart_rx_sta |= 0x8000; /* 置位接收完成标志 */
}
}
else /* 未接收到回车符(\r) */
{
if (g_rx_buffer[0] == 0x0d)
{
g_usart_rx_sta |= 0x4000; /* 标记接收到回车符 */
}
else
{
/* 存储有效数据 */
g_usart_rx_buf[g_usart_rx_sta & 0x3FFF] = g_rx_buffer[0];
g_usart_rx_sta++;
/* 防止缓冲区溢出 */
if (g_usart_rx_sta > (USART_REC_LEN - 1))
{
g_usart_rx_sta = 0;
}
}
}
}
/* 重新开启中断接收，保证连续接收 */
HAL_UART_Receive_IT(&g_uart1_handle, g_rx_buffer, RXBUFFERSIZE);
}
}
/**
* @brief 串口中断服务函数
* @retval 无
*/
void USART_UX_IRQHandler(void)
{
/* 调用HAL库中断处理函数，解析中断类型并触发对应回调 */
HAL_UART_IRQHandler(&g_uart1_handle);
}
3. 主函数测试（main.c）
#include "./stm32f1xx_it.h"
#include "./SYSTEM/sys/sys.h"
#include "./SYSTEM/usart/usart.h"
#include "./SYSTEM/delay/delay.h"
#include "./BSP/LED/led.h"
int main(void)
{
uint8_t len;
uint16_t times = 0;
/* 系统初始化 */
HAL_Init(); /* HAL库初始化 */
sys_stm32_clock_init(RCC_PLL_MUL9); /* 配置系统时钟为72MHz */
delay_init(72); /* 延时初始化 */
usart_init(115200); /* 串口初始化：115200波特率 */
led_init(); /* LED初始化（状态指示） */
/* 主循环 */
while (1)
{
if (g_usart_rx_sta & 0x8000) /* 检测到完整数据接收 */
{
len = g_usart_rx_sta & 0x3FFF; /* 提取接收数据长度 */
printf("\r\n你发送的消息为:\r\n");
/* 回显接收到的数据 */
HAL_UART_Transmit(&g_uart1_handle, g_usart_rx_buf, len, 1000);
while(__HAL_UART_GET_FLAG(&g_uart1_handle, UART_FLAG_TC) != SET); /* 等待发送完成 */
printf("\r\n\r\n");
g_usart_rx_sta = 0; /* 重置接收状态，准备下次接收 */
}
else
{
times++;
/* 定时打印提示信息 */
if (times % 5000 == 0)
{
printf("\r\nSTM32F1 USART 实验\r\n");
printf("请输入数据，以回车键结束\r\n");
}
/* LED翻转，指示系统运行 */
if (times % 30 == 0)
{
LED0_TOGGLE();
}
delay_ms(10); /* 降低CPU占用 */
}
}
}
四、代码关键说明
1. 中断接收逻辑
HAL 库的HAL_UART_Receive_IT为单次中断接收，即接收 1 字节数据后中断触发一次，需在HAL_UART_RxCpltCallback中重新调用该函数，实现连续接收。
2. 接收状态标志（g_usart_rx_sta）
bit15：接收完成（检测到\r+\n）；
bit14：检测到\r（回车符）；
bit0~13：记录接收字节数（最大 4095）；
若接收数据溢出或异常，重置状态为 0，重新接收。
五、常见使用场景与注意事项
1. 常用 API 说明
| 函数名 | 功能 |
|---|---|
HAL_UART_Init() | 初始化 UART 外设 |
HAL_UART_Transmit() | 阻塞式发送数据 |
HAL_UART_Receive_IT() | 开启中断接收 |
HAL_UART_IRQHandler() | 中断处理核心函数 |
HAL_UART_RxCpltCallback() | 接收完成回调（需用户实现） |
2. 注意事项
- 通信双方参数必须一致（波特率、字长、停止位、校验位）；
- GPIO 配置需匹配：TX 为
GPIO_MODE_AF_PP（复用推挽），RX 为GPIO_MODE_AF_INPUT（复用输入）； - 中断优先级配置需合理，避免与其他高优先级中断冲突；
- 接收缓冲区需预留足够空间，防止数组越界；
- 若使用 DMA 收发，需额外配置 DMA 句柄及相关中断。
六、扩展说明
DMA 模式：大数量数据收发建议使用 DMA（HAL_UART_Transmit_DMA/HAL_UART_Receive_DMA），降低 CPU 占用；
错误处理：可实现ErrorCallback回调函数，处理帧错误、奇偶校验错误等异常；
多串口扩展：复制上述代码，修改外设宏定义（如 USART2、USART3），即可实现多串口配置。