一.常用的串口通讯

1.串口通信核心分类（同步/异步）

串口通信从时序上分为两种模式，是所有串口协议的基础：

1. 同步通信：英文 Synchronous，缩写 Sync，收发双方依靠统一时钟信号对齐数据
2. 异步通信：英文 Asynchronous，缩写 Async，无统一时钟，依靠起始位、停止位帧结构对齐数据

注：日常单片机 TTL、RS232、RS485 串口，全部默认是异步通信。

2.波特率核心原理

1. 定义：波特率表示1秒钟发送的二进制bit位数，作用是让收发双方数据严格对应、精准解析。
2. 异步串口帧结构：单片机发送 1 字节有效数据时，必须额外携带1位起始位 + 1位停止位，单次传输实际占用 10 bit。
3. 举例计算（115200 波特率）：

每秒比特数：115200 bit/s

每秒字节数 = 115200 ÷ 10 = 11520 byte/s

3.TTL 串口电平与特性（单片机原生电平）

1. 标准 TTL 电平定义：

1. 逻辑 0（低电平）：0V ~ 0.4V
2. 逻辑 1（高电平）：2.4V ~ 5V

1. 单片机硬件适配：常规 3.3V 单片机硬件限制，实际以 2.4V ~ 3.3V 判定为高电平逻辑1。
2. 硬件本质：单片机直接输出的串口电平，默认就是 TTL 电平。
3. 通信帧规则：和所有异步串口一致，发送1字节数据需拼接起始位、停止位，单次传输10个bit。
4. 优缺点：电平电压范围极小，极易受外界电磁干扰，传输距离极短，常规有效传输距离 1m 以内。

4.RS232 串口电平与特性

1. 电平标准（与 TTL 完全相反、电压范围更广）：

1. 逻辑 0：-3V ~ -15V（负电压）
2. 逻辑 1：+3V ~ +15V（正电压）

1. 硬件要求：单片机只能输出 TTL 电平，无法直接输出 RS232 电平，必须外接 MAX232 电平转换芯片完成电压和逻辑翻转。
2. 硬件接线：标准三线制通信 TX / RX / GND。
3. 通信模式：和 TTL 串口一致，属于异步单端通信，依赖公共 GND 做参考。
4. 优缺点：相比 TTL 电平电压范围宽，抗干扰能力大幅提升，标准最大传输距离可达 15m。

5.RS485 差分通信原理与特性

1. 传输方式：采用差分平衡传输，依靠 A、B 两根信号线的电压差值判断逻辑，不依赖单一 GND 参考，彻底解决地电位偏移问题 但只能半双工通讯。
2. 共模干扰抵抗核心机制：工业环境中的外界干扰噪声，会同时叠加在 A、B 两根信号线上，形成共模电压；RS485 电路只识别 A、B 之间的电压差值，会自动抵消两路相同的干扰电压，完美过滤共模干扰，适配强干扰工业场景。
3. 逻辑判定标准：

1. 驱动器输出（实际测量电压）：Va-Vb = +2V ~ +6V → 逻辑 1
2. 驱动器输出（实际测量电压）：Va-Vb = -6V ~ -2V → 逻辑 0
3. 补充关键考点（必考）：接收端识别阈值更宽松，只要差分电压绝对值 ≥ 200mV 就能正确识别逻辑，这也是485抗干扰、远距离传输的容错余量来源。

1. 核心优势：抗干扰能力极强、传输距离远，最大有效传输距离可达 1200m；支持一主多从总线架构，可实现多设备组网通信但是连接单片机需要485转换芯片。
2. 传输速度大概能达到10Mbps 10 000000 bit/s 即每秒能传送1M字节的数据随距离增加。

6.三种串口核心总结

1. TTL：单片机原生电平、距离短、易受干扰、板内短距离调试使用
2. RS232：电平翻转、电压范围大、抗干扰更强、点对点短距离外接设备通信（15m）
3. RS485：差分传输、抗共模干扰、远距离、支持多机组网，工业通信首选

二.串口通讯硬件基本原理

三.串口通讯标准库学习

1. 先开 USART1 和 GPIOA 的时钟 
2. 再把 PA9/PA10 配成 AF 
3. GPIO_PinAFConfig() 一定用 GPIO_PinSource9/10 
4. 然后 USART_Init() 
5. 最后 USART_Cmd(ENABLE)

Q:void USART_SendData(USART_TypeDef* USARTx, uint16_t Data) 传入的数据是uint16，但是我怎么可以写入uint8照样可以发出去？数据发送寄存器和接收寄存器公用一个DR寄存器吗

A：uint16_t Data 不是说你必须发 16 位，而是因为这个 API 要兼容不同的数据长度配置，尤其是 9-bit 模式。函数内部实际上做了掩码：

USARTx->DR = (Data & 0x01FF);

 Data 用 uint16_t 是为了兼容 8/9 位发送

四.串口通讯HAL库学习

1、串口通讯常用的函数，基于USART_IT中断

HAL_UART_Receive_IT(&huart1,buffer_uart_data,5);

用于开启串口接收中断，每来一个字节会触发

void USART1_IRQHandler(void)

由于是定长中断触发，所以HAL_UART_Receive_IT函数对应的5字节触发回调函数

void HAL_UART_RxCpltCallback(UART_HandleTypeDef *huart)

串口的数据是每来一个字节就会进行一次数据拷贝：

HAL 库的中断接收HAL_UART_Receive_IT是一次性的，因此在中断函数中还要进行下次使能。

2.串口基于DMA中断接收数据

关于USART-DMA的配置

原理：

使用DMA需要注意所设置的数据宽度是多少，如果是字，那么接收一个字节就会放进4byte的内存中 最低位。

修改数据宽度为byte如下

因为 DMA 接收完成后，最终也会调用同一个回调函数：HAL_UART_RxCpltCallback

不管你用的是：

1. HAL_UART_Receive_IT
2. HAL_UART_Receive_DMA

完成后，进的都是同一个回调：HAL_UART_RxCpltCallback

HAL针对于USART单独封装了一个DMA的APIHAL_UART_Receive_DMA

在UART_Start_Receive_DMA函数中完成了DMA函数指针的绑定（DMA中断的注册）

3.CPU的SRAM的搬运速度和AHB总线速度相关

AHB = 16 MHz → 一次搬运循环（50 次）耗时 33 us

CPU 内核 通过 AHB 总线 访问 SRAM

SRAM 挂在 AHB 总线 上

你写的 (uint32_t)addr = data 是 AHB 上的读写操作

三个中断的配合例子：​ 

中断一（DMA 半满中断），中断二（DMA 全满中断），中断三（串口空闲中断）之间的关系：​     

当使用 HAL_UARTEx_ReceiveToIdle_DMA 函数时，假设参数三 Size 是 32 字节（半满 16 字节）。​ 

当发送 17 个字节时，会先进入中断一（DMA 半满中断），然后再进入中断三（串口空闲中断）。​  

当发送 15 个字节时，会直接进入中断三（串口空闲中断）。​

当发送 33 个字节时，会先进入中断一（DMA 半满中断），然后进入中断二（DMA 全满中断），然后进入中断三（串口空闲中断）。并且，由于是 33 个字节，如果这个时候 DMA 的配置为 DMA_NORMAL 模式，则第 33 个字节会被丢掉。如果，DMA 被配置为 DMA_CIRCULAR，则第 33 个字节会覆盖最开始的第一个字节。

3.1半满全满中断介绍

每次数据达到半满或者全满会触发一次中断。

HAL_UART_Receive_DMA(&huart1, recv_data, 20);

NDTR 会被配置为20，每当写入一个数据NDTR就会-1；但是要注意这里是写入一个数据，而不是接收一个数据。

如果打开了FIFO,Threshold设置为Full 那么由于DMA FIFO深度是4*word =4*4字节=16字节

那么就会接收数据一直存在FIFO里，且Threshold配置为FULL，那当FIFO满了会触发 突发传输 一次性把16字节数据全写进SRAM。

那么此时NDTR的值直接从20变为了20-16=4；直接触发半满中断，再发4个字节数据触发全满中断。

所以在使用FIFO时候需要注意半满全满。

如果设置为Threshold=Full，DMA FIFO满了，UART 内部 RX FIFO 满了，外部还在发数据，并且此时CPU在访问DMA的目的地-SRAM导致DMA无法写入，那么此时会丢UART数据。

所以Threshold=Full 会让 “抗阻塞余量” 变小，高速 / 高负载下建议用 1/2 或 1/4 阈值更安全。

开 FIFO 后是批量搬运，NDTR 是跳变，但 HT 逻辑仍然按 “累计量过半” 来算

关于DMA的IRQHandler函数：触发条件：

void DMA2_Stream2_IRQHandler(void)
{
  /* USER CODE BEGIN DMA2_Stream2_IRQn 0 */

  /* USER CODE END DMA2_Stream2_IRQn 0 */
  HAL_DMA_IRQHandler(&hdma_usart1_rx);
  /* USER CODE BEGIN DMA2_Stream2_IRQn 1 */

  /* USER CODE END DMA2_Stream2_IRQn 1 */
}

只要下面 任意一种中断发生，就会进入：

1. HT 中断（Half Transfer）半传输→ 你设置 20 字节 → 收到 ≥10 字节就进
2. TC 中断（Transfer Complete）传输完成→ 20 字节收完 → 进
3. TE 中断（Transfer Error）传输错误
4. FE 中断（FIFO Error）FIFO 上溢 / 下溢
5. DME 中断（Direct Mode Error）

3.2全满半满中断函数

void HAL_UART_RxHalfCpltCallback(UART_HandleTypeDef *huart)
{
	if(&huart1 == huart)
	{
		printf("half_interrupt\r\n");
	}

}
void HAL_UART_RxCpltCallback(UART_HandleTypeDef *huart)
{
	if(&huart1 == huart)
	{
		HAL_UART_Receive_DMA(&huart1, recv_data, 20);
		printf("full_interrupt\r\n");
	}

}

3.3Burst Size 配置介绍

如果DMA正在向SRAM写入数据，而此时CPU需要访问SRAM，那么AHB总线仲裁就会让DMA停止写入，转而给CPU权限。如果DMA写入的数据正是CPU要拿的数据，那么会导致出现问题。因此只有两种方式防止DMA被打断：1、互斥锁 2、Burst

USART的Burst Size 意味着每接受一个字节触发多少次的DMA请求。

memory的Burst Size意味着每次触发多少次突发传输。并且此突发传输不会被高优先级的任务打断。即：将AHB总线锁死  只会锁死当前正在使用的那一条 AHB 总线。

对于USART 接收一个字节就触发一次DMA请求，如Buest Size 设置为4 那么就会连续触发4次的DMA请求，发生如下情况

USART接收到 0x12

此时DMA的FIFO里存入  0x12 0x12 0x12 0x12 (连着存四个)

---所以一般设置USART的buestSize =single

Burst Size 的设置和FIFO的阈值字节数以及数据宽度有关（根据Threshold 所配置的）

FIFO 阈值字节数 = N × (BURST × SIZE)，N=1,2,3,4;

就是说BURST的设置就是分几拍写入到内存中，可以是

MSIZE = 1B ;那么MBURST = 4;

分四拍，由于阈值容量选的FULL 那么FIFO满了才写入。

就是每当FIFO满了就开始写入，一次写入MSIZE = 1B （N） 就是4；

4拍就是 16 字节完成写入，以确保原子操作。

3.4接收不定长数据-串口空闲中断介绍

HAL_UART_Receive_DMA() 是标准定长 DMA 接收 API，工作模式标记为 HAL_UART_RECEPTION_STANDARD；

而 HAL_UARTEx_RxEventCallback 是扩展事件回调，仅当接收模式为 HAL_UART_RECEPTION_TOIDLE（空闲帧模式）时才会被 HAL 调度执行，二者底层完全隔离，天然不会联动。

1.HAL_UART_Receive_DMA（标准 DMA 接收）

内部行为

仅开启 DMA TC（传输完成）、HT（半满）中断；不会开启串口 IDLE 空闲中断；

huart->ReceptionType = HAL_UART_RECEPTION_STANDARD；

中断触发 & 对应回调

DMA 收满Size字节（TC 全满） → 进入 HAL_UART_RxCpltCallback

DMA 收到一半数据（HT 半满） → 进入 HAL_UART_RxHalfCpltCallback

完全不涉及任何 IDLE 空闲事件，HAL 中断服务函数里不会调用 RxEventCallback。

2. HAL_UARTEx_ReceiveToIdle_DMA（空闲帧 DMA 接收，你要的版本）

内部行为

自动同时开启 DMA HT/TC 中断 + USART IDLE 空闲中断；

huart->ReceptionType = HAL_UART_RECEPTION_TOIDLE；

中断触发 & 对应回调

总线空闲 IDLE / DMA 半满 HT / DMA 填满 TC，全部统一进入 HAL_UARTEx_RxEventCallback；

在回调内可用 HAL_UARTEx_GetRxEventType(huart) 判断是哪种事件。

3.在HAL_UART_IRQHandler中会根据具体情况进行中断事件分发

高速无缝连续数据流场景

1.IDLE 空闲中断的触发前提必须总线出现至少 1 个字符时长的空闲电平，硬件才会置 IDLE 标志、触发中断； 当多帧数据首尾紧挨着、帧之间无任何间隔，整条数据流是连续电平，IDLE 标志永远不会置位。

防止串口通信中数据丢失或错误，我通常从以下几个维度出发：一是使用 DMA 结合空闲中断和环形缓冲区机制，减少 CPU 干预同时避免缓冲溢出；二是启用硬件或软件校验机制如 CRC、奇偶校验，确保数据正确性；三是从协议层设计鲁棒的帧结构、加上超时与重传机制防止数据错乱；四是提高串口中断优先级并将解包逻辑下沉至后台任务；五是硬件层面选用 RS-485 和滤波抗干扰设计。实际项目中根据使用场景做不同策略组合，以保证串口通信可靠。

五.串口环形缓冲区学习

串口缓冲区辅助函数：

注意：WB_index 始终指向已写入的数据的后一个字节。

其余任务执行数据处理：

环形缓冲区设计千变万化，但是都应该有下面几种能力设计出稳定通用的中间件。

1.面向对象的程序设计能力

2.能够熟练搭建基本的数据处理框架结合外设的使用

3.自定义协议的能力

六.需要注意的点

传输数据的时候注意大小端问题

6.1 uint16_t cmd 和 uint8_t cmd[2] 的区别

uint16_t a = 0x1234;
uint8_t b[2] = {0x34,0x12}; // 小端下内存布局和a一致，但类型含义不一样
a = 0x5678;    // 直接整体赋值16位数
b[0] = 0x78; b[1] = 0x56; // 必须分别操作字节

只是占用内存大小相同（都是 2 字节），不能划等号。

6.2memcpy(&data_struct.sw_ver,&temp[2],2);

假设 data_struct.sw_ver 是 uint16_t 类型：

1. 功能：从 temp 数组下标 2 开始拷贝 2 个字节，覆盖 sw_ver 的两个字节内存
2. 内存层面等价手动写法：

((uint8_t*)&data_struct.sw_ver)[0] = temp[2];

((uint8_t*)&data_struct.sw_ver)[1] = temp[3];

6.3关键坑：大小端问题

memcpy 只搬运原始字节，不做字节交换：

1. 芯片小端（STM32 等 Cortex-M）：低地址存低字节
2. 如果 temp [2] 是高字节、temp [3] 是低字节，拷贝后数值会颠倒，需要手动调换两个字节。