1.串口的简介和特性（部分摘自STM32F10xxx参考手册USART通用同步异步收发器部分）

1.1.USART介绍

通用同步异步收发器(USART)提供了一种灵活的方法与使用工业标准NRZ异步串行数据格式的 外部设备之间进行全双工数据交换。USART利用分数波特率发生器提供宽范围的波特率选择。 它支持同步单向通信和半双工单线通信，也支持LIN(局部互连网)，智能卡协议和IrDA(红外数据 组织)SIR ENDEC规范，以及调制解调器(CTS/RTS)操作。它还允许多处理器通信。 使用多缓冲器配置的DMA方式，可以实现高速数据通信。

1.2.USART主要特性

● 全双工的，异步通信

● NRZ标准格式

● 分数波特率发生器系统

─ 发送和接收共用的可编程波特率，最高达4.5Mbits/s

● 可编程数据字长度(8位或9位)

● 可配置的停止位-支持1或2个停止位

● LIN主发送同步断开符的能力以及LIN从检测断开符的能力

─ 当USART硬件配置成LIN时，生成13位断开符；检测10/11位断开符

● 发送方为同步传输提供时钟

● IRDA SIR 编码器解码器 ─ 在正常模式下支持3/16位的持续时间

● 智能卡模拟功能

─ 智能卡接口支持ISO7816-3标准里定义的异步智能卡协议

─ 智能卡用到的0.5和1.5个停止位

● 单线半双工通信

● 可配置的使用DMA的多缓冲器通信

─ 在SRAM里利用集中式DMA缓冲接收/发送字节

● 单独的发送器和接收器使能位

● 检测标志 ─ 接收缓冲器满

─ 发送缓冲器空

─ 传输结束标志

● 校验控制

─ 发送校验位

─ 对接收数据进行校验

● 四个错误检测标志通用同步异步收发器(USART)

─ 溢出错误

─ 噪音错误

─ 帧错误

─ 校验错误

● 10个带标志的中断源

─ CTS改变

─ LIN断开符检测

─ 发送数据寄存器空

─ 发送完成

─ 接收数据寄存器满

─ 检测到总线为空闲

─ 溢出错误

─ 帧错误

─ 噪音错误

─ 校验错误

● 多处理器通信 -- 如果地址不匹配，则进入静默模式

● 从静默模式中唤醒(通过空闲总线检测或地址标志检测)

● 两种唤醒接收器的方式：地址位(MSB，第9位)，总线空闲

1.3.USART的工作模式

USART（Universal Synchronous/Asynchronous Receiver/Transmitter）是一种通用串行通信接口，支持同步和异步两种传输模式。其核心功能是通过 TX（发送） 和 RX（接收） 引脚实现数据的串行传输，并可扩展硬件流控和同步时钟线以增强通信可靠性。

1.3.1.TX 与 RX 引脚

• TX（Transmit）：数据发送引脚，将并行数据转换为串行数据输出。
• RX（Receive）：数据接收引脚，将接收到的串行数据转换为并行数据。
• 异步模式：无需时钟线，依赖预定义的波特率（Baud Rate）实现同步。数据帧通常包括起始位、数据位、校验位和停止位。

1.3.2.硬件流控

硬件流控通过 RTS（Request to Send） 和 CTS（Clear to Send） 引脚协调收发双方的数据流，避免缓冲区溢出：

• RTS：由发送方控制，表示准备好发送数据。
• CTS：由接收方控制，表示准备好接收数据。
• 工作流程：发送方检测 CTS 信号为低电平时才发送数据，接收方通过 RTS 信号暂停或恢复数据流。

1.3.3.同步模式与时钟线

在同步模式下，USART 通过 SCLK（Serial Clock） 引脚提供时钟信号，实现严格时序同步：

• 主从设备：主设备（如 MCU）提供 SCLK，从设备（如传感器）同步时钟收发数据。
• 数据对齐：时钟上升沿或下降沿触发数据采样，确保稳定性。
• 优势：相比异步模式，同步模式支持更高传输速率，但需额外时钟线连接。

1.3.4典型应用场景

• 异步模式：UART 通信（如 MCU 与 PC 串口通信）。
• 同步模式：SPI/I2C 替代方案或高速设备通信。
• 硬件流控：高波特率或长距离通信（如工业 RS-485）。

USART 特性：字长设置

发送器：配置停止位

接收器：起始位侦测

1.4.串口收发顺序就好比“数据结构”里面的队列

【我一开始在学的时候恍惚的认为是栈了（下面是对三者的详细阐述）】（个人理解兼AI回答）

核心区别：栈 (Stack) vs. 队列 (Queue) vs. 串口缓冲区

特性	数据结构 - 栈	数据结构 - 队列	STM32 串口收发
数据存取原则	后进先出	先进先出	先进先出
操作比喻	压栈， 弹栈。像叠盘子，你只能从顶部取。	入队， 出队。像单行道排队，先来的人先接受服务。	发送：数据按写入顺序依次发出。 接收：数据按到达顺序依次存入缓冲区。
典型应用	函数调用、中断处理、表达式求值	消息传递、打印任务调度、网络数据包处理	USART：异步串行通信

结论：串口的数据流更接近于一个“队列”（Queue），而不是“栈”（Stack）。

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1.4.1.深入理解STM32串口的“缓冲区”

STM32的串口（USART/UART）硬件本身包含两个关键寄存器，它们本质上是非常小的硬件队列：

1. 发送数据寄存器：当你把要发送的数据写入这个寄存器，串口硬件会自动将数据一位一位地通过TX引脚发送出去。

2. 接收数据寄存器：当串口从RX引脚一位一位地接收到一个完整的数据（如8位）后，会将数据存入这个寄存器，等待CPU或DMA来读取。

问题来了： 这两个寄存器通常只能存放一个字节（8位）的数据。如果数据来得太快，CPU来不及处理怎么办？

这就是STM32更强大的地方，它通过以下方式扩展了这个“队列”：

1.4.2.使用查询或中断方式

• CPU主动查询：程序不断检查接收寄存器是否有新数据。这效率低下，且容易丢失数据（如果在新数据到来时，旧数据还没被读走）。

• 中断：这是更常用的方式。

  • 发送中断：当发送数据寄存器空了（数据已发出），会产生中断，告诉CPU：“我可以发送下一个数据了”。

  • 接收中断：当接收数据寄存器收到新数据，会产生中断，告诉CPU：“快来取数据，不然下一个数据来了可能会覆盖它”。

  • 此时，程序员需要在中断服务函数中手动管理一个软件缓冲区（数组）。这个软件缓冲区就是一个在内存中实现的队列。接收中断函数将数据从硬件寄存器“出队”，然后放入软件缓冲区的“队尾”。

1.4.3.使用DMA——最像“自动队列”的方式

DMA是解决这个问题的终极武器，它使得串口通信非常接近你想象中的“自动压栈/弹栈”。

• 发送：你只需要把要发送的一串数据（比如一个数组）的首地址和长度告诉DMA和串口。DMA会自动地、无需CPU干预地将数据从内存这个“大队列”中搬运到串口的发送数据寄存器中。CPU此时可以去做其他事情。

• 接收：你提前开辟好一段内存作为接收缓冲区（一个数组），并将其首地址和最大长度告诉DMA和串口。此后，每收到一个字节，DMA都会自动地将其从接收数据寄存器搬运到你指定的内存缓冲区中，并自动更新地址。整个过程CPU完全不用操心。

在这种情况下：

• 你的内存数组就是一个大的“队列”缓冲区。

• DMA的职责就是自动执行“入队”（接收）和“出队”（发送）操作。

• CPU只需要在DMA完成传输（或传输一半）时产生中断，然后去处理缓冲区里已经排好队的数据即可。

2.串口的对应操作

2.1.使用串口前必须开启时钟，有了这个时钟初始化才能进行接下来操作

RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_USART1,ENABLE);
//对USART1进行时钟初始化，USART1默认GPIO口为PA9和PA10，如果要启用其他IO口进行
//USART1操作，就必须对USART1进行重映像

2.2.在启用时钟后，需开启这部分的“总开关”

void USART_Cmd(USARTTypeDef *USARTx,FunctionalState NewState);
//作用:控制USART模块的使能和禁止(总开关)
//*USARTx串口名称
//FunctionalState NewState：ENABLE-使能;DISABLE-禁止

2.3.然后对串口进行初始化

波特率、数据位长度、停止位长度、校验方式、数据收发方向 

void USART_Init(USARTTypeDef *USARTx,//串口名称
USART_InitTypeDef *USART_InistStruct);//初始化的参数
作用:初始化串口

struct USART_InitTypeDef{

uint32_t USART_BaudRate;
// 波特率

uint16_t USART_WordLength;
//数据位长度 
- USART_WordLength_8b
- USART_WordLength_9b

uint16_t USART_StopBits;
// 停止位长度
-USART_StopBits_0_5
-USART_StopBits_1
-USART_StopBits_1_5
-USART_StopBits_2

uint16_t USART_Parity;
// 校验方式
- USART_Parity_No
- USART_Parity_Even
- USART_Parity_0dd

uint16_t USART_Mode;
// 数据收发方向 
- USART_Mode_Tx
- USART_Mode_Rx
- USART_Mode_Tx | USART_Mode_Rx
}

###初始化USART1  设置波特率115200,数据位8位,停止位1位,无校验###

RCC_APB2PerihClockCmd(RCC_APB2Periph_USART1,ENABLE);//开启时钟

USART_InitTypeDef USART_InitStruct;

USART_InitStruct.USART_BaudRate =115200;//波特率115200
USART_InitStruct. USART_Mode = USART_Mode_Tx | USART_Mode_Rx; // X
USART_InitStruct.USART_WordLength =USART_WordLength_8b;//8位数据位
USART_InitStruct.USART_Parity=USART_Parity_No;// 无校验
USART_InitStruct.USART_StopBits=USART_StopBits_1;// 1位停止位

USART_Init(USART1, &USART_InitStruct);

2.4.对GPIO口进行初始化

GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStruct;
// Tx PA9 复用输出推挽 GPIoA
RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOA, ENABLE);
GPIO_InitStruct. GPIO_Pin= GPIO_Pin_9; //PA9
GPIO_InitStruct. GPIO_Mode = GPIO_Mode_AF_PP; // 复用输出推挽模式
GPIO_InitStruct.GPIO_Speed=GPIO_Speed_10MHz;// 最大速度
GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStruct);

// Rx PA10 输入浮空 输入上拉
RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOA, ENABLE);
GPIO_InitStruct.GPIO_Pin = GPIO_Pin_10;
GPIO_InitStruct.GPIO_Mode = GPIO_Mode_IPU;//输入上拉模式
//由于这里是输入模式，所以不用对Speed进行设置（因为这是从外部输入，而不是从单片机自生引出）
GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStruct);

2.5.如果要对串口（如USART1）进行重映射

配置项	USART1_REMAP 值	USART1_TX 引脚	USART1_RX 引脚	说明
默认复用功能	0 (或 不重映射)	PA9	PA10	芯片复位后的默认状态，无需开启AFIO时钟的重映射控制。
重映像功能	1 (或 部分重映射)	PB6	PB7	需要开启AFIO时钟，并配置AFIO_MAPR寄存器的USART1_REMAP位为1。

RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_AFIO,ENABLE);//使能AFIO模块的时钟
GPIO_PinRemapConfig(GPIO_Remap_USART1, ENABLE); // USART1_REMAP=1

GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStruct;
// Tx PB6 输出推挽
RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOB, ENABLE);
GPIO_InitStruct. GPIO_Pin = GPIO_Pin_6;
GPIO_InitStruct.GPIO_Mode =GPIO_Mode_AF_PP;// 复用输出推挽模式
GPIO_InitStruct.GPIO_Speed =GPIO_Speed_10MHz;// 最大速度
GPIO_Init(GPIOB, &GPIO_InitStruct);

// Rx PB7 输入浮空 输入上拉
RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOB, ENABLE);
GPIO_InitStruct. GPIO_Pin = GPIO_Pin_7;
GPIO_InitStruct.GPIO_Mode = GPIO_Mode_IPU;//模式
GPIO_Init(GPIOB, &GPIO_InitStruct);

其中“使能AFIO模块的时钟”是使用AFIO任何功能（如引脚重映射、外部中断配置）之前必须进行的一个基础且必要的步骤。

使能AFIO时钟	给AFIO模块供电，让它开始工作。
配置AFIO功能	设置重映射、外部中断线等具体功能。

2.6.状态标志位

2.6.1TXE（Transmit Data Register Empty）

• 定义：TXE标志位表示发送数据寄存器（TDR）是否为空。当TDR中的数据被传输到移位寄存器（准备发送）时，TXE会被硬件置位。
• 触发条件：TDR中的数据被转移到移位寄存器后自动置位。
• 用途：通常用于检查是否可以写入新数据到TDR。若TXE=1，表示可以发送新数据；若TXE=0，表示当前数据未完全转移，需等待。
• 清除方式：向TDR写入数据后，硬件自动清除TXE标志。

2.6.2.TC（Transmission Complete）

• 定义：TC标志位表示整个发送过程（包括移位寄存器的数据发送）是否完成。当移位寄存器中的数据全部发送完毕且TDR为空时，TC被置位。
• 触发条件：移位寄存器发送完最后一位数据且TDR为空（无新数据待发送）。
• 用途：用于判断一帧数据是否完全发送完毕。例如，在需要严格时序控制的场景（如RS-485切换方向）时，需等待TC=1。
• 清除方式：读取状态寄存器（SR）后写入数据寄存器（DR）或直接通过软件清除。

  FlagStatus USART_GetFLagStatus
  (USARTTypeDef *USARTx,//串口名称
  uint16_t USART_FLAG);//要查询的标志位
  作用:查询USART标志位的值。返回值:RESET-0; SET-1
  
  标志位：
  USART_FLAG_TXE // TXE 
  USART_FALG_RXNE // RXNE
  USART FLAG_TC // TC 
  USART_FLAG_PE // PE
  
  
  if(USART_GetFlagStatus(USART1,USART_FLAG_TXE) == SET){//判断发送数据寄存器是否为空
  
  }
  if(USART_GetFlagStatus(USART1,USART_FLAG_TC) == SET){//判断数据发送是否完成
  
  }

  2.7.发数据（1.4里面有对串口收发数据的理解）

  void USART_SendData(
  USARTTypeDef *USARTx,//串口名称
  uint16_t Data);//要发送的数据
  
  作用:把要发送的数据写入到发送数据寄存器里
  
  // 发送字节0x01
  USART_SendData(USART1, 0x01);

  //@作用:使用串口一次性发送多个字节
  //@参数:pData - 要发送的数据 Size- 字节的数量
  void My_USART_SendBytes(USART_TypeDef *USARTx, uint8_t *pData, uint16_t Size)
  {
  
  for(uint32_t i = 0; i < Size; i++){
  //#1. 等待发送数据寄存器空
  while(USART_GetFlagStatus(USART1, USART_FLAG_TXE) == RESET);
  //#2. 将要发送的数据写入到发送数据寄存器
  USART_SendData(USARTx, pData[i]);
  }
  //#3. 等待数据发送完成
  while(USART_GetFlagStatus(USART1, USART_FLAG_TC) == RESET);
  }

  2.7.1.fputc函数（要引人C语言的stdio.h头文件）实现当我们printf一段字符生成化字符串然后通过串口发出去

  const char *strName = "Tan";
  
  printf("Hi, %s! Nice to meet you! \r\n", strName);
  
  //生成格式化字符串
  Hi, Tom! Nice to meet you! \r\n
  
  //通过fputc发送到控制台
  _weak int fputc(int ch, File f){
  }
  
  //因为单片机用不了控制台，是通过串口形式发送的，重新写fputc
  int fputc(int ch, File f){
  }
  
  

  简单执行操作：

  int fputc(int ch, FILE *f){
  // #1.等待发送数据寄存器为空
  while(USART_GetFlagStatus(USART1, USART_FLAG_TXE) == RESET);
  //#2. 写入发数据寄存器当中
  USART_SendData(USART1, (uint8_t)ch);
  return ch;
  }

  ###fputc函数的基本功能###

  fputc是C标准库中的函数，用于将一个字符写入指定的文件流。其原型为：

  int fputc(int char, FILE *stream);
  

• char：要写入的字符（以int类型传递，实际写入低8位）。
• stream：目标文件流指针（如stdout、文件流或自定义流）。
• 返回值：
  • 成功时返回写入的字符（unsigned char 类型）。
  • 失败时返回 EOF（通常为 -1）。

    #include <stdio.h>
    
    int main() {
        // 向屏幕写入字符
        fputc('A', stdout);  // 输出字符 'A'
    
        // 向文件写入字符
        FILE *file = fopen("example.txt", "w");
        if (file != NULL) {
            fputc('B', file);  // 写入字符 'B' 到文件
            fclose(file);
        }
        return 0;
    }
    

    相关函数

  • putc：功能与 fputc 相同，但可能通过宏实现（通常性能更高）。
  • fgetc：从文件流中读取单个字符。
  • fputs：写入字符串到文件流。

2.8.收数据

读取数据接口

uint16 t USART_ReteiveData(USARTTypeDef *USARTx);//串口名称
作用:从接收数据寄存器读取数据

同样要等待接收数据寄存器非空 

//#1. 等待接收数据寄存器非空_
while(USART_GetFlagStatus(USARTx, USART_FLAG_RXNE) == RESET;
//#2. 接收数据
uint8_t btyeRcvd = USART_ReceiveData(USARTx);
//#3. 处理数据

###对单片机发送数据实现STM32板载LED的亮灭###

板载LED接的是PC13引脚，为开漏输出GPIO_Mode_Out_OD

while(1){
//#1. 等待接收数据寄存器RDR非空
while(USART_GetFlagStatus(USART1, USART_FLAG_RXNE) == RESET);
//#2. 读取数据
uint8_t byteRcvd = USART_ReceiveData(USART1);
//#3. 对数据进行处理
if(byteRcvd == '0')
GPIO_WriteBit(GPIOC,GPIO_Pin_13,Bit_SET);//亮灯
else if(byteRcvd == '1')
GPIO_WriteBit(GPIOC, GPIO_Pin_13, Bit_RESET); //灭灯
}

3.帧错误、噪声错误、溢出错误（FE、NE、ORE）

这三个错误都发生在数据接收的过程中，与数据的帧格式 和采样 有关。当这些错误发生时，通常意味着物理线路有干扰、波特率不匹配、或者对方设备发送有问题。

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3.1. FE - 帧错误

• 全称： Framing Error

• 触发条件： 当接收器没有在预期的时刻检测到停止位（Stop Bit）时，该标志位会被置起。

• 详细解释：

  • 串口协议规定，每个数据帧的结尾必须有一个或多个停止位（通常为1位），其电平为高电平（逻辑1）。

  • 接收器在采样完数据位后，会在帧的中间位置采样停止位。如果此时采样到的不是高电平，而是低电平，它就认为这个“帧”的结构不完整或被破坏了，于是产生帧错误。

• 常见原因：

  1. 波特率不匹配：这是最常见的原因。例如，发送方以115200的波特率发送，而接收方设置为9600。接收方会错误地解读比特流，导致它找不到正确的停止位位置。

  2. 线路干扰：噪声或干扰可能在停止位期间将高电平拉低。

  3. 发送方驱动能力不足或线路断开/接触不良。

3.2. NE - 噪声错误

• 全称： Noise Error

• 触发条件： 在接收数据位的过程中，检测到了电平跳变（噪声）。

• 详细解释：

  • 为了抗干扰，STM32的串口接收器对每个数据位会进行多次采样（通常是3次采样，取多数值）。

  • 如果在采样期间，检测到了电平的意外跳变（例如，三次采样结果不一致，有的是1，有的是0），硬件就认为这个比特受到了噪声干扰，并置起NE标志。同时，接收到的数据仍然会被存入接收数据寄存器。

• 与FE的区别：

  • FE 发生在停止位。

  • NE 发生在数据位（也可能包括校验位）。FE意味着整个帧无效，而NE意味着这个帧的某个数据位可能不可靠，但硬件仍然尽力接收了它。

• 常见原因：

  1. 强烈的电磁干扰。

  2. 线路接触不良，时通时断。

  3. 接地问题。

3.3. ORE - 溢出错误

• 全称： Overrun Error

• 触发条件： 新的数据已经接收完成，但旧的数据还未从接收数据寄存器中被读取。

• 详细解释：

  • 这是最需要重视的错误，因为它直接导致数据丢失。

  • 串口的接收数据寄存器只能存放一个字节的数据。当收到一个字节后，该数据会从移位寄存器转移到接收数据寄存器中，并置起标志位（如RXNE）。

  • 如果CPU或DMA没有及时读取这个数据，而下一个字节已经接收完毕，那么新数据将无处安放，此时就会发生溢出错误。新数据会被丢弃，ORE标志被置起。

• 常见原因：

  1. 中断响应不及时：主程序忙于处理高优先级任务，导致串口接收中断迟迟得不到响应。

  2. 没有使用DMA或DMA配置不当：在高速、大数据量通信时，使用查询或普通中断方式很容易导致溢出。使用DMA是避免溢出的最佳方法，因为DMA可以在无CPU干预的情况下将数据直接搬运到指定的大缓冲区中。

  3. 程序逻辑错误：例如，在中断服务函数中忘了读取数据寄存器。

3.4. 奇偶校验错误

3.4.1. 奇偶校验的目的

奇偶校验是一种非常简单的错误检测机制，用于在数据传输过程中检查单个比特是否发生了错误。它在每个数据帧中添加一个额外的位（校验位）。

• 偶校验： 确保数据位 + 校验位中 ‘1’ 的总个数为偶数。

• 奇校验： 确保数据位 + 校验位中 ‘1’ 的总个数为奇数。

举例说明（偶校验）：
假设要发送的数据字节是 1100 1010（其中 ‘1’ 的个数是4个，已经是偶数）。

• 发送方（STM32或其他设备）会计算‘1’的个数。因为是偶校验，且‘1’的个数已是偶数，所以校验位设置为 ‘0’。

• 发送方发送完整的帧：数据位 1100 1010 + 校验位 0。

• 接收方收到后，计算数据位中‘1’的个数（4个），并查看校验位（0）。

• 接收方验证：4（数据位‘1’的个数） + 0（校验位值） = 4，是偶数。校验通过，不产生PE错误。

3.4.2. 奇偶校验错误（PE）的发生

现在，假设在传输过程中，有一个比特因干扰发生了翻转，比如最高位从‘1’变成了‘0’。接收方收到的数据位变成了 0100 1010。

• 接收方计算收到的数据位中‘1’的个数：0100 1010 中有3个‘1’（是奇数）。

• 接收方看到的校验位仍然是 ‘0’。

• 接收方验证：3（数据位‘1’的个数） + 0（校验位值） = 3，是奇数。

• 但是，我们配置的是偶校验，期望结果是偶数。实际结果与期望不符。

• 此时，硬件就会判定这次传输不可靠，并置起 PE (Parity Error) 标志位。

3.4.3.PE错误的常见原因

1. 电气噪声和干扰：这是最主要的原因，导致比特位翻转。

2. 波特率不匹配：虽然波特率不匹配更容易引起FE（帧错误），但在某些情况下也可能导致PE。

3. 双方配置不一致：一方设置为奇校验，另一方设置为偶校验或无校验。

###总结###

错误标志	全称	触发原因	后果	关键区别
FE	帧错误	停止位采样不为1	当前帧结构错误，数据不可信	发生在帧的结尾
NE	噪声错误	数据位采样时检测到电平跳变	数据位可能出错，但数据仍被接收	发生在数据位/校验位
ORE	溢出错误	新数据到来，旧数据未被读取	数据丢失，是最严重的错误	与处理速度有关，与数据内容无关
PE	奇偶校验错误	使能校验后，接收到的数据其校验位与计算值不匹配	只能检测奇数个比特错误（如1位、3位错误），无法检测偶数个比特错误。开销大（每帧多传一位），在现代高速通信中较少使用，常用于一些简单的工业控制器或老式设备。	一种单比特错误检测机制