STM32 USART 详解（一）：从通信基础概念到底层微观机制

前言

大家好啊，我是云泽Q，欢迎阅读我的文章，一名热爱计算机技术的在校大学生，喜欢在课余时间做一些计算机技术的总结性文章，希望我的文章能为你解答困惑~

一、通信专题预备知识：从基础概念到UART宏观理解

从这篇文章开始就是 USART 通信。在深入具体的寄存器配置和代码实现之前，我们需要先铺垫一些后续通信话题中必不可少的常规概念。这些概念不仅适用于 USART，在 I2C、SPI 等其他通信协议中也会反复遇到。同时，我们还需要从宏观上理解 MCU、GPU、板子以及 Trunk（即 USART）四方之间的关系，并掌握比特率与波特率的区别。只有具备了这些背景知识，我们才能递进式地理解串口通信的数据帧格式、收发原理以及阻塞发送接收的理论基础。

1.1 串行通信与并行通信

在数字电路的早期，并行通信曾经占据主导地位，但随着技术的发展，串行通信凭借其独特的优势成为了主流。我们需要从物理传输形式的角度来理解这两者的区别。

1.1.1 并行通信的局限

并行通信是指数据在多位数据线（如 8 根、16 根或 32 根）上同时传输。虽然看起来一次能传很多位，但在实际工程应用中，它存在明显的短板：

• 成本高昂：需要大量的物理连线，布线复杂，占用 PCB 面积大。
• 信号干扰：多根导线并行排列时，电流产生的磁场会相互影响，导致信号串扰，尤其是在高频下更为严重。
• 同步困难：由于每根线的物理长度和电气特性难以做到绝对一致，信号到达接收端的时间会有微小差异（ skew ），导致接收端必须等待最慢的那一位信号稳定后才能采样，这限制了整体速率的提升。
• 扩展性差：如果需要增加数据位宽，就必须重新布线。
• 功耗大：驱动多根线路翻转需要消耗更多的能量。

1.1.2 串行通信的优势

串行通信则是将数据在一根线上按位依次传输。虽然单次只传一位，但它解决了并行通信的诸多痛点：

• 成本低：连线极少，例如 UART 仅需 TX 和 RX 两根线。
  

• 抗干扰强：线少，信号间的磁场干扰大幅降低。

• 速率极高：得益于抗干扰能力的提升和差分信号等技术的应用，串行通信的频率可以做得非常高。电信号在导线中的传播速度接近光速，通过提高频率，单位时间内传输的数据总量远超并行通信。

• 扩展性好：想要传输更多数据，只需延长传输时间即可，无需增加物理线路。

目前主流的通信接口，如 I2C、SPI、USB、PCIe 等，本质上都是串行通信。这里需要特别区分一个概念：“串行”是一种物理传输形式，而“串口”（如 UART）是一套具体的通信协议标准，二者不能混为一谈。

1.2 同步通信与异步通信

理解了串行与并行的区别后，我们需要进一步探讨数据是如何被“对齐”和“识别”的。这就引出了同步与异步的概念。在 STM32 等 MCU 开发中，区分这两者最简单直观的方法就是看硬件上有没有时钟线。

1.2.1 同步通信

同步通信依赖于额外的时钟信号线（CLK）。

• 工作原理：发送方在输出数据的同时，输出一路时钟信号。接收方不关心时间过了多久，而是严格根据时钟线的边沿（上升沿或下降沿）或电平状态来采样数据线上的值。
• 特点：就像两个人一起走路，必须步调一致。时钟线就是那个喊口号的人，数据线跟着节奏走。只要有 CLK 线参与同步，就是同步通信。

1.2.2 异步通信

异步通信没有时钟线，它完全依赖收发双方预先约定的“节奏”来工作。

• 工作原理：既然没有时钟线告诉接收方“现在该读数据了”，那么双方必须提前商量好每一位数据持续多长时间。这个时间标准就是波特率（后面会细说，这里暂时提出来）。例如，双方约定波特率对应每位数据持续 1 毫秒，那么当接收方检测到起始信号后，就会每隔 1 毫秒去读取一次数据线上的电平。
• 核心判断依据：硬件上不存在时钟线，仅靠数据线（TX/RX）进行通信。UART 就是典型的异步通信，因为它只有 TX 和 RX，没有 CLK。

1.3 通信拓扑与双工模式

在通信系统中，数据的流向决定了通信的模式。我们可以通过生活中的例子来形象地理解单工、半双工和全双工这三个核心概念。从逻辑关系上讲，全双工可以看作是半双工的一种特殊情况，而半双工又是单工的特殊情况，但在工程定义中我们通常将它们并列区分。

1.3.1 单工模式

单工是指数据只能沿着一个固定的方向传输，永远不能反向。

• 生活案例：课堂授课。老师在讲台上讲，学生在下面听。这种情况下，只允许老师说话（发送），学生只能听（接收），学生不能通过同一个信道反向给老师讲课。这就是典型的单工模式。
• 硬件特征：只有一条单向的数据通路。

1.3.2 半双工模式

半双工是指数据可以双向传输，但在同一时刻只能进行一个方向的操作。要么 A 发 B 收，要么 B 发 A 收，不能同时进行。

• 生活案例：日常朋友间的对话。当你说话时，朋友在听；朋友说话时，你在听。虽然你们都能说也能听，但正常沟通时不会两个人同时开口抢话，否则谁也听不清。这种“你说我听，我说你听”的交替模式，就是半双工。
• 硬件特征：通常只有一根数据线，或者两根线但在逻辑上互斥使用。

1.3.3 全双工模式

全双工是指数据可以在两个方向上同时传输。A 发送给 B 的同时，B 也可以发送给 A，互不干扰。

• 生活案例：马路边的争吵。当两个人发生激烈冲突时，往往是你骂我一句，我同时也骂你一句，甚至两个人都在不停地输出，同时也在接收对方的辱骂。这种“边说边听”、收发同时进行的状态，就是典型的全双工。
• 硬件特征：拥有独立的发送路径和接收路径。

1.3.4 UART 的双工特性

回到我们的主角 UART，它是一种全双工的通信方式。因为 UART 在物理上拥有独立的 TX（发送）线和 RX（接收）线。这两根线是解耦的，TX 线专门负责发，RX 线专门负责收，互不冲突。因此，在使用 UART 通信时，我们可以实现真正的同时收发。

1.4 UART 核心定义与特性总结

综合上述概念，我们可以对 UART 做一个精准的定义和特性梳理。

1.4.1 官方定义

UART 的全称是 Universal Asynchronous Receiver/Transmitter，即通用异步收发器。它是 MCU 内部的一个片上外设，主要负责将并行数据转换为串行数据发送出去，或者将接收到的串行数据转换为并行数据供 CPU 处理。在实际芯片手册中，你可能会看到 USART（Universal Synchronous/Asynchronous Receiver/Transmitter），它比 UART 多了一个同步模式的功能，但在大多数通用场景下，我们主要使用其异步功能，所以常统称为串口或 UART。

1.4.2 核心特点

• 异步通信：如前所述，没有时钟线，依赖约定的波特率进行位同步。
• 串行通信：数据在单根线上按位顺序传输。
• 一对一通信：这是 UART 的一个重要限制。每一个串口单元在同一时刻只能与另一个串口单元进行点对点通信。它不像 I2C 或 SPI 那样具备硬件地址寻址能力来支持一主多从。如果要连接多个设备，通常需要软件模拟或多路复用。
• 全双工：拥有独立的 TX 和 RX 线路，支持同时收发。
• 唤醒机制：UART 模块通常具备唤醒功能，可以在低功耗模式下通过特定的唤醒序列被激活，这对于电池供电设备非常重要。

二、串口通信的宏观认知与硬件架构

接下来需要先建立起对串口通信的宏观认知。这不仅仅是关于代码怎么写，更重要的是理解数据在芯片内部是如何流转的，以及它与整个 MCU 系统的关系。

2.1 USART 在 MCU 内部的定位

首先我们要明确一个概念：USART（Universal Synchronous/Asynchronous Receiver Transmitter）是 MCU 内部的一个片上外设。

当我们打开 STM32 的参考手册，查看“存储器与总线结构”图时，可以清晰地看到整个系统的拓扑。在这个架构中，Cortex-M3 内核通过 ICode、DCode 和 System 总线连接到总线矩阵。而我们的 USART 外设，正是挂载在这个庞大的总线网络之下的。

具体来说，STM32F103ZET6 这款芯片内部默认包含了多个 USART 模块（如 USART1 到 USART5）。它们并不是独立于 MCU 之外的孤岛，而是作为片上资源，通过 AHB 系统总线、桥接器（Bridge 1/2）最终挂载在 APB1 或 APB2 总线上。

• APB2 总线：通常挂载速度较快或较重要的外设，例如 USART1、GPIOA~G 等。
• APB1 总线：通常挂载 USART2、USART3、UART4、UART5 等。

这意味着，CPU 可以通过读写特定的内存地址（即寄存器）来直接控制这些 USART 模块。每一个 USART 都可以独立工作，互不干扰。至于具体的引脚分布和硬件清单，我们需要查阅《数据手册》中的“器件一览”表。以 STM32F103Zx 系列为例，它明确标注了拥有 5 个 USART/UART 接口。这就像是一个大家庭里有 5 个专门负责对外联络的“通讯员”，每个通讯员都有自己的职责范围。

2.2 通信协议的本质：约定与规则

有了硬件基础，我们还需要理解通信的灵魂——协议。

为什么两个设备连在一起就能说话？举个通俗的例子：如果我是中国人，我说中文；对面站着一个葡萄牙朋友，他说葡萄牙语。虽然我们在物理上都是人类，都有嘴巴和耳朵（硬件连通），硬件连接没有问题，但因为语言不通（协议不同），我们依然无法交流，完全是“牛头不对马嘴”。

设备间的通信也是同理。仅仅把线连上是不够的，通信双方必须遵守一套预先约定好的规则。这套规则决定了：

• 通信双方发送和接收数据快慢的问题（波特率）
  

• 接收端怎么知道发送端什么时间开始或结束数据发送的？一次计划携带多少数据（帧格式）
  

只有当双方都严格遵守这些约定时，发送端发出的高低电平序列，才能在接收端被正确解读为有意义的信息。这一点不仅适用于串口，对于后面的 SPI、I2C 等所有通信接口都是通用的真理。GPIO 只是单纯地输出高低电平点个灯，而涉及通信的外设，核心都在于“协议约定”。

三、UART 与 USART 的辨析及物理连接

这里再细致说一下它们的区别

3.1 概念辨析：同步与异步

从定义上讲：

• UART：通用异步收发器。它只支持异步通信，不需要时钟线，完全依靠双方约定的波特率来同步数据。
• USART：通用同步/异步收发器。它功能更强大，既支持异步模式（当作 UART 用），也支持同步模式（带 CLK 时钟线）。

但在 STM32 的实际应用场景中，绝大多数时候我们使用的都是它的异步模式。因为同步模式需要额外的时钟线，应用场景相对较少。所以，虽然芯片手册里写的是 USART，但在实际工程和交流中，我们常把它等同于 UART 来使用。大家在配置时，只要不涉及同步时钟线，就可以把它们看作是一回事。

3.2 物理连接方式

理解了概念，我们来看物理连接。无论是 UART 还是 USART，最基本的连接都需要三根线：

1. TX (Transmit)：发送端。
2. RX (Receive)：接收端。
3. GND (Ground)：地线。

这里有一个极易犯错的细节：交叉连接。
MCU 的 TX（发送）必须连接到外部设备的 RX（接收）；MCU 的 RX（接收）必须连接到外部设备的 TX（发送）。这就好比两个人打电话，我的嘴巴（TX）要对着你的耳朵（RX），你的嘴巴（TX）要对着我的耳朵（RX）。如果 TX 接 TX，RX 接 RX，那是绝对通不了信的。

如果是USART 的同步模式，除了上述三根线，还需要多一根CLK（时钟线），用于同步数据传输的节奏。但在异步模式下，这根线是不需要的。

四、串口通信的核心机制与微观原理

这一部分是我们理解串口工作的重中之重，主要包含引脚复用机制和数据传输的时序逻辑。

4.1 GPIO 引脚复用机制

很多兄弟会问：USART 的信号是怎么从芯片里跑出来的？它并没有自己独立的引脚啊。

答案是：复用（Alternate Function）。

在 STM32 的内部结构中，GPIO 引脚不仅仅能作为普通的输入输出口，它们还具备“第二职业”。当我们配置 USART 时，实际上是在使用 GPIO 引脚的复用功能。

• 发送端 (TX)：对应的 GPIO 引脚会被配置为“复用推挽输出”模式。此时，引脚的输出控制权从普通的 GPIO 数据寄存器移交给了 USART 外设。USART 内部产生的电平信号直接驱动引脚上的 PMOS/NMOS 管，向外发送波形。
• 接收端 (RX)：对应的 GPIO 引脚会被配置为“浮空输入”或“上拉输入”模式。外部信号直接进入引脚，通过施密特触发器整形后，送入 USART 的接收移位寄存器。

所以，在配置代码时你一定会发现：配置 USART 之前，必须先开启对应 GPIO 端口的时钟，并配置好引脚模式。这就是因为 USART 是“寄生”在 GPIO 引脚上的，没有 GPIO 的物理通路，USART 的信号就出不去也进不来。

4.2 数据传输方向与低位先发原则

在串口通信的微观世界里，数据的传输是有严格方向的。这里必须建立一个极其重要的认知：低位先发（LSB First）。

假设 MCU 要发送一个字节的数据0x55，其二进制序列是0101 0101。
在示波器上观察 TX 引脚的波形，或者在逻辑分析仪上看数据流，你会发现：

1. 最先发出去的是最低位（Bit 0）。
2. 最后发出去的是最高位（Bit 7）。

这意味着，先发出去的数据位在时间轴的最右边（也就是波形的起始位置），但在数值逻辑上它是最左边的那一位。整体来看，数据像是在向右移动一样被推送到线路上。

这个“低位先发”的规则是串口协议的铁律，不能搞反。如果接收端按照高位先发来解析，那收到的数据就会完全错乱（比如0x55可能会变成别的数，或者校验错误）。所以在分析波形时，一定要时刻记得：时间轴越早出现的脉冲，代表的是二进制数的越低权重的位。

五、波特率匹配：通信节奏的生死线

为什么有时候通信会乱码？

这就引出了串口通信中最关键的参数：波特率（Baud Rate）。

波特率本质上就是通信的“节奏”或“语速”。它定义了每秒钟传输多少个符号（在标准 UART 中，1 个符号 = 1 个比特）。

让我们回到那个“中国人和葡萄牙人”的例子，这次换成节奏的问题：

• 发送方：“我语速很快，1 秒钟发 8 个高低电平变化。”
• 接收方：“但我耳朵反应慢，我以为你是 2 秒钟才发 1 个变化。”
  

结果会怎样？
发送方已经噼里啪啦发完了一串数据（比如发了 8 个 bit），接收方可能才刚刚检测到第一个变化的边沿，或者把发送方的 8 个 bit 误读成了 4 个 bit。这就好比两个人跳舞，一个人跳得快，一个人跳得慢，步子完全踩不到一起，最后肯定乱套。

这就是波特率不匹配的后果。

• 如果发送快、接收慢：接收端会漏掉数据，或者把多个 bit 当成一个 bit 读。
• 如果发送慢、接收快：接收端会在同一个 bit 的电平期间采样多次，导致读出一堆重复的错误数据。

因此，所谓的“约定”，在物理层面上最直接的体现就是：通信双方的波特率必须严格一致。无论是 9600、115200 还是其他数值，只要有一方设错了，通信就会失败。

总结一下，串口通信的宏观过程就是：CPU 将数据写入 USART 寄存器 -> USART 按照“低位先发”的规则 -> 控制复用的 GPIO 引脚 -> 以双方约定好的“波特率”节奏 -> 将高低电平序列发送到线路上。

结语