2. UART基础与轮询驱动：从协议帧到STM32实战

UART，说白了就是嵌入式世界里最古老也最通用的串行通信方式之一。我刚开始做嵌入式那会儿，调试手段匮乏，全靠UART往PC上打印日志。直到现在，我手头每个项目板子上至少留一个UART口——你永远不知道什么时候需要它来救命。

这一章我们先把UART的协议帧格式掰开揉碎，然后讲波特率怎么算，最后用STM32的轮询模式把收发跑通。嗯，都是基本功，但基本功不扎实，后面DMA和中断模式就容易翻车。

2.1 UART协议帧格式

UART是异步串行通信，没有时钟线。收发双方靠约定的波特率和对帧格式的共识来同步。一个完整的UART帧长这样：

我画了一张帧结构图，你一看就明白：

2.2 各字段详解

起始位

起始位固定为低电平（逻辑0），持续一个bit时间。接收方检测到TX线从高变低，就知道一帧开始了。为什么一定要有起始位？因为UART没有时钟线，接收方必须靠这个电平跳变来同步自己的采样时钟。

数据位

数据位可以是5、6、7、8或9位。最常见的是8位数据位，正好对应一个字节。发送顺序是LSB（最低有效位）在前，MSB（最高有效位）在后。你想想看，如果发0x55（二进制01010101），线上先看到的是最低位的1，然后0、1、0、1、0、1、0。

校验位

校验位用于简单的错误检测，可选奇校验或偶校验。奇校验要求包括校验位在内的所有1的个数为奇数；偶校验则为偶数。举个例子：

数据 (0x55)	1的个数	奇校验位	偶校验位
01010101	4 (偶数)	1 (使总数为奇数)	0 (保持偶数)

停止位

停止位固定为高电平（逻辑1），长度可以是1、1.5或2个bit时间。停止位的作用是给接收方留出处理时间，同时保证帧间有明确的高电平间隔。大多数场景用1位停止位就够了，如果通信环境噪声大，可以选2位停止位增加容错。

2.3 波特率计算

波特率就是每秒传输的符号数，单位是bps（bits per second）。对于UART来说，一个符号就是一个bit。所以波特率直接决定了每个bit的持续时间：

STM32的UART波特率由外设时钟和波特率寄存器（USART_BRR）共同决定。公式如下：

波特率 = f_CK / (16 × USART_DIV)

其中：
  f_CK = UART外设时钟频率（如APB2时钟）
  USART_DIV = USART_BRR寄存器的值（整数部分+小数部分）

举个例子，如果f_CK = 72 MHz，目标波特率115200：

USART_DIV = 72,000,000 / (16 × 115200) = 39.0625

整数部分 = 39 (0x27)
小数部分 = 0.0625 × 16 = 1 (0x1)

USART_BRR = (39 << 4) | 1 = 0x271

实际项目中，我们很少手动算这个。STM32的HAL库和CubeMX会自动帮你算好。但理解原理很重要——万一哪天你用的芯片没有自动计算工具呢？

2.4 STM32 UART轮询模式实现

轮询模式是最简单的UART收发方式。CPU不断检查状态寄存器，看数据是否发送完成或是否有数据到达。说白了就是“死等”。

初始化配置

我用STM32F103系列举例，使用USART1，波特率115200，8N1（8数据位、无校验、1停止位）。

void UART_Init(void)
{
    GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;
    USART_InitTypeDef USART_InitStructure;

    // 1. 使能时钟
    RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_USART1 | RCC_APB2Periph_GPIOA, ENABLE);

    // 2. 配置GPIO：TX(PA9)推挽复用输出，RX(PA10)浮空输入
    GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_9;
    GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;
    GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_AF_PP;
    GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStructure);

    GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_10;
    GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_IN_FLOATING;
    GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStructure);

    // 3. 配置UART参数
    USART_InitStructure.USART_BaudRate = 115200;
    USART_InitStructure.USART_WordLength = USART_WordLength_8b;
    USART_InitStructure.USART_StopBits = USART_StopBits_1;
    USART_InitStructure.USART_Parity = USART_Parity_No;
    USART_InitStructure.USART_HardwareFlowControl = USART_HardwareFlowControl_None;
    USART_InitStructure.USART_Mode = USART_Mode_Tx | USART_Mode_Rx;
    USART_Init(USART1, &USART_InitStructure);

    // 4. 使能UART
    USART_Cmd(USART1, ENABLE);
}

轮询发送

发送一个字节：检查发送数据寄存器空标志（TXE），空则写入数据。

void UART_SendByte(uint8_t data)
{
    // 等待发送数据寄存器为空
    while (USART_GetFlagStatus(USART1, USART_FLAG_TXE) == RESET);
    // 写入数据
    USART_SendData(USART1, data);
}

void UART_SendString(char *str)
{
    while (*str)
    {
        UART_SendByte((uint8_t)(*str++));
    }
}

轮询接收

接收一个字节：检查接收数据寄存器非空标志（RXNE），有数据则读取。

uint8_t UART_ReceiveByte(void)
{
    // 等待接收到数据
    while (USART_GetFlagStatus(USART1, USART_FLAG_RXNE) == RESET);
    // 返回接收到的数据
    return USART_ReceiveData(USART1);
}

主循环示例

一个简单的回环测试：收到什么就发什么。

int main(void)
{
    uint8_t rx_data;

    UART_Init();

    UART_SendString("UART Polling Mode Ready!\r\n");

    while (1)
    {
        rx_data = UART_ReceiveByte();
        UART_SendByte(rx_data);
    }
}

2.5 轮询模式的优缺点

优点	缺点
代码简单，逻辑直观	CPU被占用，无法处理其他任务
没有中断上下文切换开销	接收可能丢数据（如果数据来得太快）
调试方便，容易定位问题	不适合高波特率或大数据量场景
资源占用少（不需要中断向量）	实时性差，无法响应紧急事件

2.6 本章小结

UART的帧格式其实不复杂：起始位、数据位、校验位、停止位，就这么几个字段。波特率决定了通信速度，但也要考虑双方时钟误差——一般允许±2%的偏差，超过这个范围就可能丢数据。

轮询模式是UART驱动的基础实现，代码简单，适合学习和调试。但实际产品中，我很少用纯轮询。嗯，先把轮询跑通，后面学中断和DMA时你才能对比出它们的优势。