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第4章 UART驱动与串口调试（上）：USART外设框图与寄存器详解、轮询模式发送与接收

UART，说白了就是串口通信。做嵌入式开发的人，没有不跟它打交道的。我刚开始学STM32那会儿，第一个调通的外设就是UART——能打印出"Hello World"的那一刻，感觉整个世界都亮了。

这一章我们不讲理论绕弯子，直接看USART的硬件框图、寄存器，然后手写轮询模式的发送和接收。你跟着我走一遍，后面调试任何外设都会轻松很多。

USART外设框图：先看明白硬件怎么跑

STM32的USART模块，内部结构其实不复杂。我习惯把它分成三块来看：

发送通路：数据从CPU写入发送数据寄存器(TDR)，经过移位寄存器，从TX引脚逐位发出
接收通路：RX引脚接收到的数据，经过移位寄存器，存入接收数据寄存器(RDR)，CPU去读
控制与状态：波特率发生器、中断控制、各种状态标志位

你想想看，数据流其实就是一个"写寄存器→硬件自动移位→读寄存器"的过程。嗯，就这么简单。

核心要点：USART的发送和接收是独立的硬件通路，可以同时工作（全双工）。发送靠写TDR触发，接收靠硬件自动完成，你只需要去RDR里取数据。

USART核心寄存器：你只需要记住这几个

USART的寄存器很多，但实际开发中常用的就那么几个。我列个表，你对照着看：

寄存器	全称	作用	轮询模式必用
SR	状态寄存器	查看发送完成、接收就绪等状态	✅ 轮询TXE/TC/RXNE位
DR	数据寄存器	写=发送数据，读=接收数据	✅ 直接读写
BRR	波特率寄存器	设置通信速率	✅ 初始化时配置
CR1	控制寄存器1	使能USART、使能发送/接收、配置数据位/奇偶校验	✅ 初始化时配置
CR2	控制寄存器2	配置停止位位数	✅ 初始化时配置
CR3	控制寄存器3	流控制、单线模式等	一般用默认值

我的习惯：SR寄存器里的TXE（发送数据寄存器空）和TC（发送完成）是两个容易混淆的标志位。TXE表示你可以往DR里写下一个字节了，TC表示最后一个字节已经从引脚上发完了。轮询发送时，我一般用TXE，效率更高。

轮询模式发送：BSP_UART_PutChar 实现

轮询模式，说白了就是CPU死等。发一个字节，等硬件准备好，再发下一个。虽然效率不高，但胜在简单可靠。

实现步骤就三步：

等待TXE标志位置1（表示TDR已空，可以写数据）
把要发送的字节写入DR寄存器
（可选）等待TC标志位，确保数据完全发出

代码长这样：

/* 文件: bsp_uart.c */
#include "bsp_uart.h"

void BSP_UART_PutChar(USART_TypeDef* USARTx, uint8_t ch)
{
    /* 1. 等待发送数据寄存器为空 (TXE=1) */
    while (!(USARTx->SR & USART_SR_TXE));
    
    /* 2. 写入数据寄存器，硬件自动开始发送 */
    USARTx->DR = ch;
    
    /* 3. 可选：等待发送完成 (TC=1)，确保数据从引脚完全发出 */
    /* 如果连续发送多个字节，可以省略这一步，用TXE就够了 */
    while (!(USARTx->SR & USART_SR_TC));
}

我曾经踩过的坑：在连续发送大量数据时，如果每发一个字节都等TC，性能会明显下降。TC是在最后一个停止位结束后才置位的，而TXE在数据转移到移位寄存器后就置位了。所以连续发送时，只等TXE就够了，最后一个字节再等TC。

轮询模式接收：BSP_UART_GetChar 实现

接收比发送更简单。你只需要等RXNE（接收数据寄存器非空）标志位，然后去读DR就行了。

步骤：

等待RXNE标志位置1（表示收到一个字节）
从DR寄存器读取数据

uint8_t BSP_UART_GetChar(USART_TypeDef* USARTx)
{
    /* 1. 等待接收数据寄存器非空 (RXNE=1) */
    while (!(USARTx->SR & USART_SR_RXNE));
    
    /* 2. 读取数据寄存器，硬件自动清除RXNE标志 */
    return (uint8_t)(USARTx->DR);
}

嗯，就这么简单。你可能会问：读DR的时候为什么要强制转成uint8_t？因为DR寄存器是16位的，但实际数据只占低8位（8位数据模式时），高8位是保留位或用于9位数据模式。

完整的初始化流程

有了发送和接收函数，还得先初始化USART才能用。初始化步骤我总结成一张表：

步骤	操作	寄存器/外设	说明
1	使能USART时钟	RCC->APB2ENR / APB1ENR	USART1挂在APB2上，USART2/3挂在APB1上
2	配置GPIO为复用功能	GPIOx->CRH/CRL	TX推挽复用输出，RX浮空输入
3	设置波特率	USARTx->BRR	根据时钟频率和波特率计算分频值
4	配置数据位、停止位、校验	USARTx->CR1, CR2	常用8N1：8数据位、无校验、1停止位
5	使能发送器和接收器	USARTx->CR1	置位TE和RE位
6	使能USART	USARTx->CR1	置位UE位，USART开始工作

对应的初始化代码：

void BSP_UART_Init(USART_TypeDef* USARTx, uint32_t baudrate)
{
    uint32_t apb_clock;
    uint16_t usart_div;
    
    /* 步骤1：使能时钟（以USART1为例） */
    RCC->APB2ENR |= RCC_APB2ENR_USART1EN;
    RCC->APB2ENR |= RCC_APB2ENR_IOPAEN;
    
    /* 步骤2：配置GPIO PA9=TX(推挽复用), PA10=RX(浮空输入) */
    GPIOA->CRH &= ~(0xFF << 4);   /* 清除CNF9,MODE9,CNF10,MODE10 */
    GPIOA->CRH |= 0x0B << 4;      /* PA9: 推挽复用输出50MHz */
    GPIOA->CRH |= 0x04 << 8;      /* PA10: 浮空输入 */
    
    /* 步骤3：设置波特率 */
    apb_clock = 72000000;  /* 假设系统时钟72MHz，USART1挂在APB2上 */
    usart_div = apb_clock / baudrate;
    USARTx->BRR = usart_div;
    
    /* 步骤4：配置8N1模式 */
    USARTx->CR1 &= ~USART_CR1_M;    /* 8位数据模式 */
    USARTx->CR1 &= ~USART_CR1_PCE;  /* 无校验 */
    USARTx->CR2 &= ~USART_CR2_STOP; /* 1位停止位 */
    
    /* 步骤5：使能发送器和接收器 */
    USARTx->CR1 |= USART_CR1_TE;
    USARTx->CR1 |= USART_CR1_RE;
    
    /* 步骤6：使能USART */
    USARTx->CR1 |= USART_CR1_UE;
}

关于波特率计算：STM32的BRR寄存器存放的是USARTDIV的16倍值。当OVER8=0（默认）时，公式是：USARTDIV = 时钟频率 / (16 × 波特率)。我一般直接用整数除法，误差在3%以内都能正常工作。如果你要求高精度，可以用浮点计算再四舍五入。

实战：串口打印"Hello World"

把上面的函数组合起来，写个main函数测试一下：

/* 文件: main.c */
#include "bsp_uart.h"

/* 简单的字符串发送函数 */
void BSP_UART_SendString(USART_TypeDef* USARTx, const char* str)
{
    while (*str)
    {
        BSP_UART_PutChar(USARTx, *str++);
    }
}

int main(void)
{
    uint8_t rx_data;
    
    /* 初始化USART1，波特率115200 */
    BSP_UART_Init(USART1, 115200);
    
    /* 发送欢迎信息 */
    BSP_UART_SendString(USART1, "Hello World!\r\n");
    BSP_UART_SendString(USART1, "UART轮询模式测试开始...\r\n");
    
    while (1)
    {
        /* 接收一个字节，然后原样回显 */
        rx_data = BSP_UART_GetChar(USART1);
        BSP_UART_PutChar(USART1, rx_data);
    }
}

把这段代码烧进板子，打开串口助手，设置波特率115200、8N1。你应该能看到"Hello World!"，然后你发什么，它就回什么——这就是最简单的串口回环测试。

验证方法：如果串口助手收不到数据，先检查三件事：1) TX/RX引脚有没有接反？2) 波特率是不是一致？3) GPIO的复用功能配置对了没有？我遇到过最蠢的一次，是把PA9和PA10的配置写反了，TX配成了输入，RX配成了输出……折腾了半小时才发现。

轮询模式的优缺点

轮询模式虽然简单，但不是万能的。我列个对比，你心里有个数：

对比项	轮询模式	中断模式	DMA模式
CPU占用	高（死等）	低（触发时才响应）	极低（硬件搬运）
实现复杂度	低	中	高
实时性	差（阻塞）	好	好
适用场景	调试打印、简单通信	交互式通信	大数据量传输

我个人习惯是：调试阶段先用轮询模式把功能调通，然后再根据需求升级成中断或DMA。这样出问题了容易定位——如果轮询模式都不通，那肯定是硬件或初始化的问题，跟中断/DMA无关。

注意：轮询模式在接收时有个致命问题——如果对方一直不发数据，你的程序就会卡死在BSP_UART_GetChar里。所以在实际产品中，轮询接收很少用，一般都会加超时机制或者直接用中断。这个我们下一章会讲。

好了，这一章的内容就到这里。你跟着代码敲一遍，用串口助手验证一下，应该就能把USART的轮询模式吃透了。记住：外设驱动没有玄学，只有寄存器。框图看懂了，寄存器配对了，代码写对了，它就能跑起来。