📚 课程目录第2章 GPIO与串口硬件原理

GPIO与串口硬件原理：USART外设框图解析

做嵌入式开发这么多年，我见过不少工程师一上来就调串口，调不通就怀疑代码。其实很多时候，问题出在硬件理解上。你想想看，串口通信的本质是什么？就是两根线——TX发、RX收。但STM32的USART外设，远不止这么简单。

这一节，咱们把USART的硬件原理掰开揉碎了讲。搞懂了这些，以后串口出问题，你脑子里就能浮现出框图，定位故障会快很多。

STM32F103的USART，说白了是一个完整的串行通信引擎。我习惯把它拆成四个部分来看：

下面这张图，是我自己画的一个简化版框图，把关键模块和信号流向标出来了。

核心要点：USART的发送和接收是独立的硬件通道，可以全双工工作。发送数据从CPU写入DR寄存器，然后由移位寄存器逐位发出；接收数据由移位寄存器逐位收进来，再拼成完整字节存入DR。

STM32的USART引脚，不是随便一个GPIO就能用的。每个USART外设都有固定的引脚映射。我刚开始做项目时，就犯过这个错——把TX接到一个不支持USART功能的引脚上，调了半天没反应。

以USART1为例，它的引脚是固定的：

USART外设	TX引脚	RX引脚	备注
USART1	PA9 (AF推挽输出)	PA10 (浮空输入)	APB2总线，频率最高
USART2	PA2 (AF推挽输出)	PA3 (浮空输入)	APB1总线
USART3	PB10 (AF推挽输出)	PB11 (浮空输入)	APB1总线

我曾经踩过的坑：有一次我把USART2的TX配置成了推挽输出，但忘了配置为复用功能（AF）。结果TX引脚一直输出高电平，数据根本发不出去。记住：串口引脚必须配置为复用推挽输出（TX）和浮空输入（RX），不是普通的GPIO模式。

波特率，说白了就是每秒传输的位数。STM32的波特率发生器，本质上是一个分频器。它从外设时钟（PCLK）出发，经过分频得到移位时钟。

计算公式很简单：

波特率 = PCLK / (16 × USARTDIV)

其中 USARTDIV 是一个16位的分频系数
存放在 BRR 寄存器中

举个例子，如果PCLK=72MHz，想要115200波特率：

USARTDIV = 72000000 / (16 × 115200) = 39.0625

整数部分 = 39  → 存入 BRR[15:4]
小数部分 = 0.0625 × 16 = 1  → 存入 BRR[3:0]

BRR = (39 << 4) | 1 = 0x0271

个人习惯：我一般直接用HAL库的 HAL_UART_Init()，它会自动计算BRR值。但调试时如果发现波特率不对，我会手动算一遍，确认时钟源和分频系数是否正确。尤其是当你用了外部晶振或者PLL倍频时，PCLK的值很容易搞错。

串口通信的数据帧，就像一列火车。每一帧由几个部分组成：

我画了个时序图，方便你理解：

关键参数配置：在CubeMX中配置USART时，你需要选择：

发送方和接收方的这些参数必须完全一致，否则数据就会错乱。

硬件流控制，说白了就是让接收方告诉发送方“我准备好了，你可以发了”或者“我忙不过来，你先停一下”。STM32的USART支持两种硬件流控信号：

我个人的经验是，大部分场景用不到硬件流控。但如果你在做高速通信（比如460800波特率以上），或者通信距离较远，硬件流控就很有用了。它能防止接收缓冲区溢出。

流控模式	RTS引脚	CTS引脚	适用场景
无流控	未使用	未使用	短距离、低速、简单通信
仅RTS	输出	未使用	接收方控制发送方
仅CTS	未使用	输入	发送方受控于接收方
全流控	输出	输入	双向流量控制

我曾经踩过的坑：有一次调试一个GPS模块，模块要求硬件流控。我配置了USART的RTS/CTS，但忘了把对应的GPIO引脚配置为复用功能。结果RTS引脚一直输出无效电平，GPS模块收不到数据。后来用示波器一看，RTS引脚波形不对。嗯，从那以后我每次配置流控，都会先检查引脚复用配置。

这一节的内容，说白了就是让你对USART的硬件有一个整体的认识。记住几个关键点：

搞懂了这些，后面咱们调代码、定位故障，你心里就有底了。