3. STM32的USART外设概述

在开始编写UART驱动程序之前，必须深入理解STM32F103的USART外设硬件结构。本章将系统梳理USART1/2/3的资源差异、核心寄存器功能以及数据流路径，为后续轮询与中断驱动开发奠定坚实的硬件基础。

3.1 USART资源概览

STM32F103系列根据封装和型号不同，最多提供3个USART（通用同步异步收发器）模块。下表列出了各USART的关键资源差异：

3.2 核心寄存器详解

USART外设的控制与数据交互通过一组寄存器完成。对于裸机驱动开发，以下4个寄存器是必须掌握的：

3.2.1 USART_SR（状态寄存器）

偏移地址：0x00。该寄存器反映USART的实时状态，驱动开发中通过轮询或中断读取其标志位来判断数据收发状态。

3.2.2 USART_DR（数据寄存器）

偏移地址：0x04。该寄存器是CPU与USART收发移位寄存器之间的数据通道。写入DR启动发送，读取DR获取接收数据。

• 发送操作：向DR写入待发送字节（低8位有效），硬件自动将数据移入发送移位寄存器，通过TX引脚逐位输出。
• 接收操作：从DR读取接收到的字节，硬件已将RX引脚上采样的串行数据组装为并行字节存入DR。
• 双缓冲特性：DR内部由两个物理寄存器组成——发送DR和接收DR，读写操作互不干扰。

// 发送一个字节的典型操作
while (!(USART1->SR & USART_SR_TXE));  // 等待发送缓冲区空
USART1->DR = (data & 0xFF);            // 写入数据触发发送

// 接收一个字节的典型操作
while (!(USART1->SR & USART_SR_RXNE)); // 等待接收数据就绪
uint8_t received = USART1->DR;         // 读取接收数据

3.2.3 USART_BRR（波特率寄存器）

偏移地址：0x08。该寄存器决定UART通信速率，其值由系统时钟和目标波特率计算得出。

波特率计算公式：

USART_BRR = (f_CLK) / (16 * BaudRate)

其中：
- f_CLK：USART挂载的总线时钟频率（USART1为APB2时钟，USART2/3为APB1时钟）
- BaudRate：目标波特率（如115200、9600等）
- 结果取整，小数部分四舍五入

3.2.4 USART_CR1（控制寄存器1）

偏移地址：0x0C。该寄存器是USART的“总开关”，控制外设使能、中断使能、数据位长度、奇偶校验等核心功能。

3.3 USART数据流与寄存器交互

下图展示了USART发送和接收过程中，CPU、寄存器、移位寄存器与引脚之间的数据流动关系：

3.4 寄存器配置顺序

初始化USART时，寄存器配置必须遵循严格的顺序，否则可能导致通信异常。以下是推荐的配置流程：

1. 使能时钟：配置RCC相关寄存器，使能USART所在总线的时钟以及对应GPIO端口的时钟。
2. 配置GPIO：将TX引脚配置为复用推挽输出（AF_PP），RX引脚配置为浮空输入（IN_FLOATING）或带上拉输入。
3. 复位USART：将USART_CR1的UE位清零，确保外设处于复位状态后再配置。
4. 设置波特率：根据总线时钟和目标波特率计算并写入USART_BRR。
5. 配置数据格式：设置USART_CR1的M位（数据位长度）、PCE和PS位（校验模式）。
6. 配置中断（可选）：若使用中断模式，设置USART_CR1的TXEIE、RXNEIE等中断使能位，并配置NVIC。
7. 使能收发器：设置USART_CR1的TE位（发送使能）和RE位（接收使能）。
8. 使能USART：设置USART_CR1的UE位为1，启动外设。

// USART1初始化示例（8N1，115200bps，轮询模式）
void USART1_Init(void) {
    // 1. 使能时钟
    RCC->APB2ENR |= RCC_APB2ENR_USART1EN | RCC_APB2ENR_IOPAEN;

    // 2. 配置GPIO：PA9=TX复用推挽，PA10=RX浮空输入
    GPIOA->CRH &= ~(GPIO_CRH_CNF9 | GPIO_CRH_MODE9 | GPIO_CRH_CNF10 | GPIO_CRH_MODE10);
    GPIOA->CRH |= GPIO_CRH_CNF9_1 | GPIO_CRH_MODE9_1;  // PA9: 复用推挽输出(10MHz)
    GPIOA->CRH |= GPIO_CRH_CNF10_0;                     // PA10: 浮空输入

    // 3. 复位USART
    USART1->CR1 &= ~USART_CR1_UE;

    // 4. 设置波特率115200 (72MHz / (16 * 115200) ≈ 39)
    USART1->BRR = 39;

    // 5. 8位数据，无校验，1位停止位（默认）
    USART1->CR1 &= ~(USART_CR1_M | USART_CR1_PCE | USART_CR1_PS);

    // 6. 不使能中断（轮询模式）

    // 7. 使能发送器和接收器
    USART1->CR1 |= USART_CR1_TE | USART_CR1_RE;

    // 8. 使能USART
    USART1->CR1 |= USART_CR1_UE;
}

3.5 本章小结

• STM32F103提供3个USART模块，USART1挂载APB2（高速），USART2/3挂载APB1（低速）。
• USART_SR的TXE和RXNE是轮询驱动的核心标志位，TC用于判断发送完成，ORE/NF/FE/PE用于错误检测。
• USART_DR是收发数据的唯一通道，发送写、接收读，硬件自动管理双缓冲。
• USART_BRR的值由总线时钟和目标波特率计算得出，需注意小数部分的精度误差。
• USART_CR1控制外设使能、中断使能、数据格式等，配置顺序必须遵循“先复位、后配置、再使能”的原则。