目录

1、基础概念

2、原理图分析：

​3、USART技术分析：

4、代码实现：

5、代码：单片机向电脑发送数据

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1、基础概念

1、什么是USART:USART 是单片机或嵌入式系统中非常常用的一个外设模块,全程是 Universal Synchronous/Asynchronous Receiver/Transmitter (通用同步/异步收发器).

USART 的主要功能是进行串行通信，也就是：

• 把并行数据（如 CPU 内部的数据）转换为串行数据发送出去；

• 把接收到的串行数据重新转换为并行数据给 CPU 使用。

串口：

数据传输流程：

从电脑发送给单片机：

电脑软件（串口助手 / ISP工具）
        ↓
USB 传输协议（复杂的包格式）
        ↓
CH340C 芯片
        ↓
转换为 UART 信号（TXD、RXD）
        ↓
单片机 USART 接收（RX 引脚）
 

单片机发送给电脑：

单片机 USART 发送（TX 引脚）
        ↓
CH340C 芯片（将 UART 转换为 USB）
        ↓
电脑 USB 驱动（虚拟 COM 口）
        ↓
电脑串口调试助手显示数据
 

以 USART1 为例，

USART1 的TX 和 RX 分别是 PA9 和 PA1。

 3、USART技术分析：

在STM32文档中可以找到 USART 的章节。

框图重点：

• 发送器控制是通过寄存器 CR1 控制，涉及到的寄存位有 TE， PS，SBK
• 接收器控制是通过寄存器 CR1 控制，涉及到的寄存位有 RE， PCE,
• 数据寄存器 USARTx_DR 是根据 MCU 读操作和写操作行为区分数据走向
  • 例如 USARTx_DR = 10; MCU 写操作，数据会存储到 TDR 寄存器中，USART 外设自行控 制，数据转移到【发送移位寄存器】，通过发送器进行数据发送
  • u8 data = USARTx_DR; MCU 读操作，USART 外设会将存在 RDR 寄存器中的数据，提 供给 MCU 使用。数据是在 MCU 执行读操作之前，已经通过 RX 引脚读取到 DR 寄存器 内部，通过接收器控制完成。
• USART 中断控制对应寄存器为 CR1，涉及到中断标志控制为有 TXEIE TCIE RXNEIE
• IDLEIE。IE ==> Interrupt Enable

NRZ 数据格式：

波特率：

USART中断：

USART只有一个中断入口函数（ USARTx_IRQHandler()），但有多个中断源可以触发,常用的USART中断标志位有RXNE(接收寄存器有新数据) 和 IDLE(接收线空闲——一帧结束)。

名称	场景
RXNE	接收到数据（最常用）
TXE	发送下一个字节
TC	一帧发送完毕
IDLE	一帧接收完毕（空闲检测）

在串口配置中通过 CR1 寄存器开启相应的中断使能，在中断处理函数中注意，要将 SR 寄存器的中断标志位清除，否则中断会反复进入。

不同中断有不同的清楚方式：

标志位	含义	何时产生	如何清除	是否必须清除
RXNE	接收寄存器非空	收到一个字节	读取 USART_DR 自动清除	✅ 必须
TXE	发送寄存器空	一个字节发送完成	写 USART_DR 自动清除	✅ 必须
TC	传输完成	最后一个字节发送完	USART_ClearITPendingBit() 或读写寄存器	✅ 必须
IDLE	空闲帧检测	接收线空闲1帧时间	先读 SR，再读 DR 清除	✅ 必须
ORE/FE/PE	溢出/帧错误/校验错误	通信异常	读 SR 再读 DR 清除	✅ 必须

4、代码实现：

总体代码流程如下：

步骤	说明
①	打开 GPIO 和 USART1 的时钟
②	配置引脚复用功能（PA9 → TX, PA10 → RX）
③	配置串口参数（波特率、数据位、校验、停止位等）
④	使能 USART1
⑤	编写发送和接收函数（或使用中断/DMA）

重点位第三步和第四步：

先看相关开发寄存器分析：

寄存器名	全称	作用
USART_SR	状态寄存器 (Status Register)	标志发送、接收状态（如 TXE、RXNE 等）
USART_DR	数据寄存器 (Data Register)	发送或接收的数据存放处
USART_BRR	波特率寄存器 (Baud Rate Register)	设置通信速率
USART_CR1	控制寄存器1 (Control Register 1)	开启 USART、配置数据位、使能发送接收
USART_CR2	控制寄存器2 (Control Register 2)	设置停止位、时钟相关设置
USART_CR3	控制寄存器3 (Control Register 3)	控制流、DMA、中断等扩展功能

重点位 CR1 和 CR2 

CR1:

需要配置的有 USART使能，字长，校验控制使能，校验选择，发送使能，接收使能

具体需要看STM32 文档。

CR2:

配置停止位。

波特率寄存器：

此外还需要配置 DR（数据寄存器） 和SR（串口状态寄存器）,具体看STM32 文档。

5、代码：单片机向电脑发送数据

STM32 单片机通过 USART1 的 TX 引脚，把数据发送到电脑

usart.h

#ifndef _USART_H
#define _USART_H

#include "stm32f10x.h"

//定义宏引脚
#define GPIOA_RCC_APB2_CLOCK_ENABLE (0x01 <<2)  //开启时钟使能
#define USART1_RCC_APB2_CLOCK_ENABLE (0x01 << 14)  //开启时钟使能

#define Floating_Input_Mode (0x04) //浮空输入模式
#define Alternate_Function_Push_Pull_Output_Mode (0x0B) //复用推挽输出


/**
   USAR1 初始化函数，要求用户提供目标波特率数据常用波特率
	 4800 9600 115200
	 @param brr 用户提供的波特率参数
*/
void USART1_Init(u32 brr);

/**
发送数据  一个字节
*/
void USART1_SendByte(u8 byte);


/**
   连续发送一段缓冲区数据
*/
void USART1_SendBuffer(u8 *buffer,u16 count);

/**
发送字符串
*/
void USART1_SendString(const char * str);

#endif

usart.c

#include "usart.h"

void USART1_Init(u32 brr)
{
	// 1. 配置 USART1 对应引脚 GPIO 工作模式
		
	RCC->APB2ENR |= GPIOA_RCC_APB2_CLOCK_ENABLE;
	GPIOA->CRH &= ~(0x0F << 4);
	GPIOA->CRH |= (Alternate_Function_Push_Pull_Output_Mode << 4);
	GPIOA->CRH &= ~(0x0F << 8);
	GPIOA->CRH |= (Floating_Input_Mode << 8);
	
	// 2. 配置 USART1 串口相关功能
	RCC->APB2ENR |= USART1_RCC_APB2_CLOCK_ENABLE;
	
	USART1->CR1 |= (0x01 << 3); // USART1 CR1 TE 寄存器位开启
	USART1->CR1 |= (0x01 << 2); // USART1 CR1 RE 寄存器位开启
	USART1->CR1 &= ~(0x01 << 12); 
	USART1->CR1 &= ~(0x03 << 9);

	// USART1 CR2 STOP 寄存器为明确为 0，1 个停止位。
	USART1->CR2 &= ~(0x03 << 12);

	// USART1 发送和接收 BRR 波特率配置。
	// 利用参数波特率计算 USART_DIV 数据
	float usart_div = 72000000 / (16 * brr);
	// 计算器波特率寄存器整数位内容
	u32 div_mantissa = (u32)usart_div;
	// 计算器波特率寄存器小数位内容
	u32 div_fraction = (u32)((usart_div - div_mantissa) * 16);
	
	// 存储 div_mantissa 和 div_fraction 到 USART1 BRR 寄存器中
	USART1->BRR |= (div_mantissa << 4) | div_fraction;
	// USART1 UE 寄存器为配置，开启 USART1 工作
	// 【注意】开启 USRAT1 需要在所有配置完成之后，如果先开启 USART1
	// 相关配置无法完成。类似于 出发前准备好所有内容。
	USART1->CR1 |= (0x01 << 13);
}

void USART1_SendByte(u8 byte)
{
	
	while (0 == (USART1->SR & (0x01 << 6)));
	
	USART1->DR = byte;
}

void USART1_SendBuffer(u8 *buffer, u16 count)
{
	while (count--)
	{
		USART1_SendByte(*buffer);
		buffer += 1;
	}
}

void USART1_SendString(const char * str)
{
	while (*str)
	{
		USART1_SendByte((u8)(*str));
		str += 1;
	}
}

mian.c

#include "usart.h"
int main(void)
{
	USART1_Init(9600);

	while (1) 
	{	
		USART1_SendString("Hello USART1\r\n");
		
		Delay_ms(2000);
	}
}

6、printf--串口重定向

先来说C语言中的printf底层逻辑，跳转printf查看定义可以看到如下：

#pragma __printf_args

extern _ARMABI int printf(const char * __restrict /*format*/, ...) __attribute__((__nonnull__(1)));

这是因为因为printf 是 C 标准库函数，其具体实现代码已被编译成二进制库文件（如 .lib 或 .a），工程中只有头文件声明，没有源码。但是printf实际是调用底层的fputc函数一个字符一个字符发送。那么只需要对fputc重新定义即可调用printf实现串口发送。

///重定向c库函数printf到串口DEBUG_USART，重定向后可使用printf函数
int fputc(int ch, FILE *f)
{
		/* 发送一个字节数据到串口DEBUG_USART */
		USART_SendData(DEBUG_USART, (uint8_t) ch);
		
		/* 等待发送完毕 */
		while (USART_GetFlagStatus(DEBUG_USART, USART_FLAG_TXE) == RESET);		
	
		return (ch);
}