【STM32】 初认识USART串口

   USART 串口详解  

1. 什么是 UART？

        UART（Universal Asynchronous Receiver/Transmitter，通用异步收发器） 是一种把并行数据与串行数据互相转换的硬件外设，也是一套异步串行通信约定。

• 串行：数据在一根线上一位一位地传，用时间换引脚数量。对比并行总线（8 根数据线同时传），串口只需 TX/RX 两根线，成本低、线缆少、抗干扰相对好。

  

• 异步：收发双方没有共享时钟线，各自用自己的时钟，靠事先约定的波特率对齐每一位的时长。

  

• 全双工：TX、RX 独立，可同时收发。

  

• 点对点：一个发送端对一个接收端（多机需走地址模式或 RS-485 总线）。
• 物理层 + 数据链路层的混合体：UART 既规定了"电平怎么表示 0/1"（物理层），又规定了"一帧怎么打包"（数据链路层），但没有规定上层协议（帧头、校验、重传要自己做）。

一句话：

        串口 = 把一个字节拆成一位一位，按约定的节奏（波特率）和格式（帧格式）在两根线上送出去、再拼回来。

2. 初步理解 UART 定义

2.1 内部结构

┌────────────── USART 外设 ──────────────┐
CPU 总线 ◄──► │ 发送数据寄存器 TDR（并行，1 字节） │
│ │ 自动搬运 │
│ ▼ │
│ 发送移位寄存器 ──逐位──► TX 引脚 │
│ │
│ RX 引脚 ──逐位──► 接收移位寄存器 │
│ │ 自动拼装 │
│ ▼ │
│ 接收数据寄存器 RDR（并行，1 字节）──► CPU│
│ │
│ 波特率发生器（BRR + 分频） │
│ 控制寄存器 CR1/CR2/CR3 │
│ 状态寄存器 ISR（TXE/TC/RXNE/ORE…） │
└────────────────────────────────────────┘

双缓冲：

        发送/接收各有"数据寄存器 + 移位寄存器"两层。

        数据寄存器对接 CPU（并行），移位寄存器对接引脚（串行）。

        这样在移位输出当前字节的同时，CPU 就能准备下一个字节，效率更高。

2.2 发送一个字节的完整过程（以 0x41 = 'A' 为例）

2.3 接收端如何"对准"每一位——过采样

没有时钟线，接收端靠**过采样（oversampling）**自己对表：

• STM32 默认 16 倍过采样：一个数据位期间有 16 个采样时钟。
• 检测到起始位下降沿后开始计时，在每位的第 8、9、10 个采样点（位中心附近）采 3 次，3 选 2 多数表决确定该位。
• 作用：抗毛刺、抗抖动，并容忍一定波特率误差。

2.4 通信成立的四个前提

波特率、数据位数、校验方式、停止位数——收发两端必须完全一致，否则乱码或收不到。

3. MCU 和串口

3.1 串口属于 MCU 片上外设

        串口不是软件模拟出来的（虽然也能软件模拟），而是 MCU 芯片内部集成的一块独立硬件（片上外设/IP 核），和 GPIO、定时器、ADC 一样挂在总线上：

• 独立硬件工作：一旦配置好，移位、采样、帧打包/解包、波特率计时全部由硬件自动完成，不需要 CPU 逐位参与。CPU 只需"写一个字节进去 / 读一个字节出来"。
• 挂在 APB 总线上：以 STM32 为例，USART1 挂 APB2，USART2/3 等挂 APB1，波特率时钟就来自对应总线时钟（fCK）。
• 有自己的寄存器组：数据寄存器（TDR/RDR）、波特率寄存器（BRR）、控制寄存器（CR1/CR2/CR3）、状态/中断寄存器（ISR）。
• 三种工作方式：轮询、中断、DMA（3.4 节展开）。
• 引脚是复用关系：USART 外设的 TX/RX 信号要通过 GPIO 复用功能（AF） 引到芯片外部引脚上，引脚不配置 AF，外设是"接不到线"的。

理解这一点很关键：串口通信 = 片上 USART 硬件自动干活，CPU 只负责配置和搬运数据。

3.2 UART 和 USART

        STM32 等芯片标注的都是 USART，因为它是 UART 的"超集"；我们说的串口通信，实际用的是 USART 的异步模式。

3.3 4 方关系

一次串口通信涉及四个角色，数据必须依次穿过它们，这就是"4 方关系"：

① CPU 内核 ② USART 外设 ③ GPIO 引脚 ④ 外部设备
┌────────┐ 读写寄存器 ┌──────────┐ 内部连线 ┌────────┐ 板级连线 ┌────────┐
│ 程序 │ ───────────► │ TDR/移位 │ ──────────► │ TX(AF) │ ────────► │ 对方 RX │
│ 内存 │ │ 寄存器 │ │ RX(AF) │ ◄──────── │ 对方 TX │
│ │ ◄─────────── │ RDR/移位 │ ◄────────── │ │ │ │
└────────┘ AHB/APB └──────────┘ 复用功能 └────────┘ TTL电平 └────────┘

发送数据流：

        CPU → 总线 → TDR → 发送移位寄存器 → TX 引脚（AF）→ 外部设备 RX。

接收数据流：

        外部设备 TX → RX 引脚（AF）→ 接收移位寄存器 → RDR → 总线 → CPU。

为什么要强调 4 方关系：

        初学者常以为"串口就是两根线"，实际上数据要穿过 CPU → 外设 → 引脚 → 对端 四层，任何一层没配好都不通——没开外设时钟、没配 AF、没使能 TE/RE、接线错误，现象都是"串口没反应"，排查时要逐层定位。

3.4 MCU 和 USART 设备通信的宏观过程和问题

宏观发送过程：

        CPU 写 TDR → 硬件自动按帧格式、波特率逐位移出 → 完成置标志。

宏观接收过程：

        RX 引脚检测到起始位下降沿 → 16 倍过采样收齐一帧 → 数据进 RDR 并置 RXNE → CPU 必须及时读走。

由此产生几个核心问题，也是工程设计的出发点：

       1. 速度严重不匹配：CPU 是 ns 级，串口是 µs 级（115200 下一字节 86.8µs）。CPU 不能傻等，于是有三种处理方式：

方式

做法

优点缺点适用

        2. 数据会丢（ORE）：RDR 只有一字节缓冲，新字节到了旧字节还没读走 → 过载错误、数据被覆盖。解决：中断/DMA + 软件环形缓冲区（FIFO）。

        3. 不定长数据怎么收：UART 是字节流，没有"包"的概念。常用方案：DMA + IDLE 空闲中断（总线空闲即一包结束，用 DMA 剩余计数差值算包长）、帧头+长度字段、超时判断。

        错误处理：FE（帧错误）、PE（校验错误）、NE（噪声）、ORE（过载），需要在中断里读状态、清标志、丢弃坏帧。

        4. 双端一致性：波特率/帧格式必须一致；电平要匹配（TTL↔RS-232/USB/RS-485 需转换芯片）。

        5. 可靠性要在协议层补：UART 只保证"位"的传输，不保证内容正确，需自定帧头帧尾 + 长度 + CRC + 应答重传

4. 比特率 vs 波特率

4.1.1 比特率（Bit Rate）

• 定义：每秒传输的二进制比特（bit）数量，衡量的是信息传输速度。
• 单位：bps（bit per second，比特/秒），也写作 bit/s、b/s。
• 公式：比特率 = 每秒传输的比特总数。
• 例子：1 秒传 115200 个 0/1，比特率就是 115200 bps。
• 关注点：它描述"有效信息传多快"，与编码方式无关，只数实际比特。

4.1.2 波特率（Baud Rate）

• 定义：每秒信号状态（符号 Symbol）变化的次数，衡量的是信号波形变化速度。
• 单位：Baud（波特）。
• 符号：一个符号可以是一个电平、一个相位、一个载波状态。
• 二者关系：

比特率 = 波特率 × 每个符号携带的比特数
= 波特率 × log₂(M)，M = 符号状态数

• 二进制 NRZ（普通串口）：只有高/低两个状态，M=2，一个符号 = 1 比特，所以：

115200 Baud = 115200 bps ← 串口场景数值相等

• 多电平调制（说明二者不等的场景）：

• 常见误区：
  • "波特率就是比特率"——只在 1 比特/符号时数值相等，概念不同。
  • "115200 波特 = 每秒 115200 字节"——错，8N1 下一字节占 10 位（见第 7 节）。
  • 在通信/射频领域：波特率决定占用带宽，比特率决定实际吞吐。

5. USART 速度与波特率

5.1 波特率由时钟分频产生

USART 没有独立振荡器，波特率来自外设总线时钟 fCK 分频：

异步、16 倍过采样（OVER8=0）：波特率 = fCK / (16 × USARTDIV)
异步、8 倍过采样（OVER8=1）：波特率 = fCK / (8 × USARTDIV)
同步模式： 波特率 = fCK / (2 × USARTDIV)

5.2 BRR 寄存器结构

BRR：[15:4] = DIV_Mantissa（整数部分）
[ 3:0] = DIV_Fraction（小数部分 × 16）

USARTDIV = fCK / (16 × 目标波特率)
Mantissa = USARTDIV 的整数部分
Fraction = USARTDIV 小数部分 × 16（四舍五入）
BRR = (Mantissa << 4) | Fraction

5.3 算例

例 1：fCK = 72 MHz，目标 115200（精确）

USARTDIV = 72e6/(16×115200) = 39.0625
Mantissa = 39，Fraction = 0.0625×16 = 1
BRR = (39<<4)|1 = 0x271
实际波特率 = 72e6/(16×39.0625) = 115200 ✅

例 2：fCK = 8 MHz，目标 9600（有量化误差）

USARTDIV = 8e6/(16×9600) = 52.0833
Mantissa = 52，Fraction = 0.0833×16 ≈ 1.33 → 取 1
实际波特率 = 8e6/(16×52.0625) ≈ 9603.8
误差 ≈ +0.04% ✅

5.4 误差分析与常见速率

• 分频小数位只有 4 位（8 倍过采样时 3 位），必然有量化误差。工程上要求收发两端总误差控制在 ±2%~3% 内；帧越长、连续字节越多，对误差越敏感（详见第 7 节）。
• 8 倍过采样可在相同时钟下支持更高波特率，但采样次数少、抗噪能力略降。

5.5 自动波特率检测（ABR）

部分 MCU 支持自动波特率：接收端根据主机发来的已知特征字节（如 0x7F、0x55）测量边沿间隔，自动算出波特率并写回 BRR，用于主机速率未知或可变的场景。

6. USART 帧格式

一帧的完整结构：

6.1.1 空闲状态（Idle State）

• 定义：线上没有数据传输时，保持高电平（逻辑 1）。
• 为什么是高而不是低：高电平作为"静止基准"，起始位用低电平才能产生明确的下降沿；同时持续高电平可让接收端区分"总线空闲"和"一直被拉低（断线/异常）"。
• IDLE 事件：当总线在收到数据后重新回到一帧以上的高电平，硬件置 IDLE 空闲标志。这是"DMA + IDLE 收不定长数据"的关键——一包数据发完、总线空闲，就触发中断，软件据此判定一包结束。
• 空闲帧：一整帧时长的高电平，区别于后面的断开帧。

6.1.2 起始位（Start Bit）

• 长度：固定 1 位，低电平。
• 作用：
• 帧同步起点：从空闲高到起始低的下降沿，通知接收端"一帧开始了"，接收端从这一刻开始按波特率计时。
• 对表：异步通信没有时钟，全靠这个边沿重新对齐，消除累积误差。
• 防误触发：接收端在下降沿后还要连续多次采样确认确实为低（防止一个毛刺被误判成起始位），确认后才在后续位中心采样。
• 起始位不携带数据，是纯开销。

6.1.3 数据位（Data Bits）

• 长度可配 5~9 位，最常用 8 位（正好一个字节）。
• 发送顺序：数据 LSB ( Least Significant Bit ：最低有效位 ) 最先发送，然后是次低位，依此类推，最后发送 MSB ( Most Significant Bit ：最⾼有效位 )。 

  

• 每位由接收端在位中心用 16 倍过采样 + 3 次多数表决还原。
• 字长配置细节（STM32）：
  • 无校验 + 8 数据位 → 字长 M 位设 8。
  • 带校验时，校验位占字长中的一位：要发 8 数据 + 1 校验，字长要设成 9（M=1），这是常见配置坑。
  • 9 数据位用于多机地址模式（第 9 位标记地址帧/数据帧）。
• 数据位是帧里唯一携带有效信息的部分，其余都是开销。

6.1.4 校验位（Parity Bit）

• 位置：紧跟数据位之后、停止位之前，1 位，可选。
• 三种方式：

• 接收端重新计算并比对，不符则置 PE（Parity Error）。
• 局限：
  • 只能检错，不能纠错（不知道哪一位错）。
  • 只能检出奇数个位翻转；偶数个位同时翻转会漏检。
  • 可靠传输仍需上层 CRC/校验和 + 重传。
• 代价：多 1 位开销（约 10% 时间），所以多数场景用 8N1。

6.1.5 停止位（Stop Bits）

• 电平：高电平（回到空闲态）。
• 长度可配：0.5、1、1.5、2 位，最常用 1 位（8N1）；2 位用于部分老式设备。
• 作用：
• 标志一帧结束，给接收端整理、准备下一帧的时间。
• 保证下一帧起始位之前线上一定是高电平，从而下一帧起始位的下降沿一定存在。
• 帧错误检测：接收端预期停止位时刻采样，如果采到的是低电平（没有正常高电平停止位），判定 FE（Framing Error）——最常见原因是波特率不匹配或干扰。
• 停止位也是开销：2 位停止比 1 位慢约 10%。

7. USART 帧格式与波特率（综合）

7.1 核心公式

单帧时长 = (1 起始位 + 数据位数 + 校验位 + 停止位数) / 波特率
有效数据率 = 波特率 × 数据位数 / 每帧总位数

7.2 算例对照（115200）

115200 波特 ≠ 115200 字节/秒：

        8N1 每字节实际占 10 位，真实上限 115200/10 ≈ 11520 B/s。

7.3 波特率容差（为什么高速更易乱码）

        收发时钟偏差 δ 沿整帧累积，第 N 位采样点偏移约 N×δ 个位周期，超过约半个位周期就采错：

单帧理论容忍 ≈ 0.5 / 帧位数
8N1（10 位）≈ 5%；考虑过采样表决和噪声，工程上取 ±2%~3% 更稳

        帧越长、连续字节越多，误差累积越大；

        低速（9600）比高速（115200+）对晶振误差宽容。

        内部 RC 振荡器温漂大，高速串口建议用外部晶振。

7.4 工程选型

• 速率：稳定优先 9600~38400；均衡 115200；高速 460800+（短线、低干扰、高精度时钟）。
• 帧格式：默认 8N1；需检错用 8E1/8O1；多机用 9 位地址模式或 RS-485。
• 收发方式：小数据轮询，常规中断 + 环形缓冲，连续大数据 DMA + IDLE。
• 可靠性：协议层做帧头帧尾 + 长度 + CRC + 应答重传。

8. 常见错误与排查

9. 面试题库（含解析）

A. 基础概念

1. UART 全称和作用？

        通用异步收发器。把并行数据转串行按位发送、把串行数据拼回并行，实现两设备异步串行通信。

2. UART 和 USART 的区别？

         USART 是同步/异步收发器，比 UART 多同步模式（SCLK 时钟线）及LIN/SmartCard/IrDA 等扩展；日常串口用的是 USART 的异步模式。

3. 为什么叫异步？没有时钟线怎么同步？

        双方不共享时钟，靠约定波特率 + 起始位下降沿对表，接收端用 16 倍过采样在每位中心采样还原数据。

4. 串口最少几根线？为什么共地？

         TX、RX、GND 三根（单向可两根）。GND 是电平参考，不共地则双方高低电平基准不一致，会乱码甚至损坏接口。

5. 串口属于 MCU 的什么？为什么说它是片上外设？

        是集成在芯片内部的独立硬件外设（IP 核），挂在 APB 总线上，配置好后移位、采样、帧打包全部硬件自动完成，CPU 只需读写数据寄存器，不必逐位参与。

B. 结构与过程

6. 串口通信的"4 方关系"是什么？

        CPU 内核（数据源/终点）、USART 外设（并串转换+波特率+帧处理）、GPIO 引脚（AF 复用把信号引出）、外部设备（对端）。数据依次穿过四层，任一层配置缺失都不通。

7. 数据从程序到对方设备经过哪些环节？

        CPU 写 TDR → 发送移位寄存器逐位移出 → TX 引脚（AF）→ 板级连线 → 对方 RX；接收反向。

8. 轮询、中断、DMA 三种收发方式怎么选？

        数据量极小用轮询（简单但阻塞）；

        常规突发用中断（实时但高频中断有开销）；

        高速连续流用 DMA（硬件直搬、CPU 零占用，常配 IDLE 中断收不定长）。

9. 什么是 ORE？怎么避免丢数据？

        过载错误：RDR 里旧字节未读走、新字节又到，旧数据被覆盖。

        避免方法：及时开 RXNE 中断/DMA 取走数据，并用环形缓冲区缓存。

10. 怎么用串口接收不定长数据包？

        DMA 把字节直搬到内存 + IDLE 空闲中断判定一包结束，用 DMA 剩余计数（CNDTR 前后差值）算出本次实际字节数；也可用帧头+长度字段或超时判断。

C. 帧格式与原理

11. 8N1 一帧多少位？由什么组成？

         10 位 = 1 起始位 + 8 数据位 + 无校验 + 1 停止位。

12. 空闲状态为什么是高电平？

        作为静止基准，使起始位能产生明确下降沿；同时区分"空闲"与"线被持续拉低"的断线/异常状态。

13. 起始位为什么是低电平、几位？

        固定 1 位低电平，用高→低的下降沿标记帧起点并给接收端对表；

        接收端还会连续采样确认，防毛刺误触发。

14. 数据位先发高位还是低位？可配几位？

        低位在前（LSB first）；可配 5~9 位，常用 8 位。

15. 带校验时 STM32 字长怎么配？为什么？

        校验位占用字长一位，8 数据 + 1 校验要把字长设为 9 位（M=1），否则会出现数据错位。

16. 奇偶校验怎么算？能纠错吗？

        偶校验保证数据+校验中 1 的个数为偶，奇校验为奇。

        只能检错不能纠错，且偶数位同时翻转会漏检；可靠传输靠上层 CRC。

17. 停止位几位、什么电平、有什么用？

        高电平，可配 0.5/1/1.5/2 位，常用 1 位。

        标志帧结束、给接收端准备时间，并保证下一帧起始位下降沿存在。

18. FE 帧错误是什么原因？

         预期停止位时刻采到低电平，常见于波特率不匹配或线路干扰。

D. 波特率与计算

19. 波特率和比特率的区别？何时相等？

        波特率是每秒符号变化次数（Baud），比特率是每秒比特数（bps），关系为 比特率=波特率×log₂(状态数)。二进制串口 1 符号=1 比特，数值相等；QPSK/QAM 等多电平调制下不等。

20. BRR 寄存器怎么算？

        举例。 USARTDIV=fCK/(16×波特率)，BRR=(整数部分<<4)|(小数部分×16)。72MHz 配 115200：USARTDIV=39.0625，BRR=0x271，实际恰好 115200。

21. 115200 波特每秒最多传多少字节？

        8N1 每字节 10 位：115200/10≈11520 B/s≈11.5 KB/s，不是 115200 字节。

22. 波特率误差多少能接受？为什么高速更容易乱码？

        工程上两端总误差控制在 ±2%~3%。

        误差沿帧逐位累积，帧越长、速率越高，采样点越容易偏移到位边界，所以高速更敏感。

23. 什么是 16 倍过采样？作用？

        每位用 16 个采样时钟，在位中心采 3 次多数表决，抗毛刺抖动、容忍波特率误差；

        8 倍过采样可支持更高速率但抗噪略差。

E. 综合与工程

24. TXE 和 TC 的区别？RS-485 为什么用 TC 切方向？

        TXE 表示 TDR 已空（可写下一字节）；TC 表示整帧（含停止位）已完全移出。

        RS-485 半双工，必须等数据真正发完才能把 DE 切回接收，所以用 TC。

25. 3.3V MCU 和 5V MCU 串口能直连吗？

        3.3V 发 5V 收一般可识别但余量小；

        5V 发 3.3V 收可能损坏引脚，应加电平转换芯片、开漏上拉或分压。

26. 为什么工业现场用 RS-485 而不是 TTL 串口？

        TTL 单端电平易受共模干扰、传不远；

        RS-485 差分传输抗干扰强、可传 1200m+、支持多节点总线。

27. 串口乱码排查顺序？

         ① 波特率与帧格式两端一致；

        ② TX/RX 是否接反、是否共地；

        ③ 电平是否匹配；

        ④ 外设/GPIO 时钟和 AF 复用是否配置；

        ⑤ 晶振精度与干扰；

        ⑥ 错误标志（FE/PE/ORE）。

28. UART 本身可靠吗？怎么做可靠传输？

         UART 只保证位传输，不保证内容正确。

        协议层需加帧头帧尾、长度、CRC/校验和、序号、应答与超时重传。