4. UART 寄存器编程：数据寄存器（DR）、状态寄存器（SR）、控制寄存器（CR）、波特率分频寄存器（BRR）

UART 外设的寄存器是驱动开发者与硬件交互的唯一接口。本章深入剖析 STM32 系列（以 USART2 为例）最核心的四个寄存器：数据寄存器（DR）、状态寄存器（SR）、控制寄存器（CR） 和 波特率分频寄存器（BRR）。理解每个寄存器的位域含义、读写时序和配置顺序，是编写稳定、高效 UART 驱动的基础。

4.1 寄存器概览与地址映射

下表列出了 USART2 的基地址（0x40004400）及四个关键寄存器的偏移地址。不同系列 MCU 的基地址可能不同，但寄存器偏移和位域定义高度兼容。

4.2 数据寄存器（DR）—— 收发数据的核心通道

DR 寄存器是 CPU 与 UART 移位器之间的数据缓冲区。发送时，CPU 将待发送字节写入 DR；接收时，CPU 从 DR 读取已接收字节。DR 内部实际由两个物理缓冲区组成：发送数据寄存器（TDR）和接收数据寄存器（RDR），但软件层面共用同一个地址。

4.2.1 DR 位域定义

4.2.2 发送与接收操作流程

• 发送流程： 等待 SR.TXE（发送数据寄存器空）置 1 → 写入 DR → 硬件自动将数据移入移位寄存器 → TXE 再次置 1。
• 接收流程： 等待 SR.RXNE（接收数据寄存器非空）置 1 → 读取 DR → 硬件自动清除 RXNE 标志。

// 发送一个字节（轮询模式）
void uart_send_byte(USART_TypeDef *USARTx, uint8_t data) {
    // 等待发送缓冲区空
    while (!(USARTx->SR & USART_SR_TXE));
    // 写入数据寄存器
    USARTx->DR = (data & 0xFF);
}

// 接收一个字节（轮询模式）
uint8_t uart_receive_byte(USART_TypeDef *USARTx) {
    // 等待接收数据就绪
    while (!(USARTx->SR & USART_SR_RXNE));
    // 读取数据寄存器
    return (uint8_t)(USARTx->DR & 0xFF);
}

4.3 状态寄存器（SR）—— 通信状态的实时窗口

SR 寄存器提供 UART 模块的实时状态，包括发送/接收缓冲区状态、帧错误、溢出错误、校验错误等。驱动开发中，SR 是轮询模式和中断模式的核心判断依据。

4.3.1 SR 关键位域

4.3.2 错误处理示例

// 带错误检查的接收
uint8_t uart_receive_with_error_check(USART_TypeDef *USARTx, uint8_t *data) {
    uint32_t status = USARTx->SR;

    // 检查错误标志
    if (status & (USART_SR_ORE | USART_SR_FE | USART_SR_NE)) {
        // 读取 DR 以清除错误标志
        (void)USARTx->DR;
        return 1; // 返回错误
    }

    if (status & USART_SR_RXNE) {
        *data = (uint8_t)(USARTx->DR & 0xFF);
        return 0; // 成功
    }

    return 2; // 无数据
}

4.4 控制寄存器（CR1/CR2/CR3）—— 配置 UART 工作模式

控制寄存器组（CR1、CR2、CR3）负责配置 UART 的使能、数据位长度、停止位、校验、中断使能、DMA 使能等。其中 CR1 最为常用，CR2 主要配置停止位和同步模式，CR3 配置流控制和 DMA 方向。

4.4.1 CR1 关键位域

4.4.2 典型配置序列

// 配置 USART2：115200-8-N-1
void uart_init(USART_TypeDef *USARTx, uint32_t baud) {
    // 1. 使能 USART 时钟（以 STM32F4 为例）
    RCC->APB1ENR |= RCC_APB1ENR_USART2EN;

    // 2. 配置 GPIO 为复用功能（TX=PA2, RX=PA3）
    // ... GPIO 初始化代码 ...

    // 3. 配置 CR1：8 位数据、无校验、使能发送和接收
    USARTx->CR1 &= ~(USART_CR1_M | USART_CR1_PCE | USART_CR1_PS);
    USARTx->CR1 |= (USART_CR1_TE | USART_CR1_RE);

    // 4. 配置 CR2：1 位停止位
    USARTx->CR2 &= ~USART_CR2_STOP;

    // 5. 配置波特率
    uart_set_baudrate(USARTx, baud);

    // 6. 使能 UART
    USARTx->CR1 |= USART_CR1_UE;
}

4.5 波特率分频寄存器（BRR）—— 精确时钟分频

BRR 寄存器决定 UART 通信速率。其值由系统时钟频率（f_CK）和目标波特率计算得出。STM32 支持两种分频模式：标准模式（OVER8=0）和过采样模式（OVER8=1）。

4.5.1 BRR 位域结构

4.5.2 波特率计算公式

• 标准模式（OVER8=0）： BRR = f_CK / (16 × 目标波特率)
• 过采样模式（OVER8=1）： BRR = f_CK / (8 × 目标波特率)

计算出的 BRR 值需拆分为整数部分和小数部分：

• 整数部分 = BRR 右移 4 位（DIV_Mantissa）
• 小数部分 = BRR 低 4 位（DIV_Fraction）

// 设置波特率（标准模式，OVER8=0）
void uart_set_baudrate(USART_TypeDef *USARTx, uint32_t baud) {
    uint32_t apb_clock = 84000000; // 假设 APB1 时钟为 84 MHz
    uint32_t brr_value;

    // 计算 BRR 值
    brr_value = (apb_clock + (baud * 8)) / (baud * 16); // 四舍五入

    USARTx->BRR = brr_value;
}

// 更精确的实现（含小数舍入）
void uart_set_baudrate_precise(USART_TypeDef *USARTx, uint32_t baud) {
    uint32_t apb_clock = 84000000;
    uint32_t mantissa, fraction;
    uint32_t brr;

    // 计算 16 倍分频系数
    brr = (apb_clock * 10) / (baud * 16); // 放大 10 倍提高精度

    mantissa = brr / 10;
    fraction = ((brr % 10) * 16 + 5) / 10; // 小数部分转换为 4 位

    USARTx->BRR = (mantissa << 4) | (fraction & 0x0F);
}

4.5.3 常见波特率与 BRR 值对照表（f_CK=84MHz，OVER8=0）

4.6 寄存器编程综合流程图

下图展示了 UART 初始化过程中四个寄存器的配置顺序和依赖关系。箭头表示数据流或控制流方向。

4.7 寄存器编程避坑指南

• UE 位操作： 修改 CR1 中除 UE 外的其他位时，建议先清 UE，配置完成后再置位。部分 MCU 在 UE=1 时修改 M 位无效。
• DR 写入时机： 必须在 TXE=1 时写入 DR。如果在 TXE=0 时写入，数据可能丢失或覆盖未发送的数据。
• 错误标志清除： ORE、NF、FE、PE 等错误标志必须通过“读 SR 后读 DR”序列清除。仅读 SR 不会清除这些标志。
• BRR 更新时机： 建议在 UE=0 时修改 BRR。如果在通信过程中修改 BRR，可能导致当前帧波特率错乱。
• 保留位处理： 写寄存器时，保留位必须写 0。读寄存器时，保留位应被忽略（不依赖其值）。

4.8 本章小结