UART / USART 模块（通用同步/异步收发器）

版本：v1.0 | 适用系列：STM32F0 / F1 / F3 / F4 / F7 / L0 / L4 / H7

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目录

1. UART 模块简介

2. 通信协议与参数配置

3. 三大工作模式详解

4. HAL UART API 函数全集

5. 中断与 DMA 回调机制

6. printf 重定向实现

7. 实战工程示例：DMA不定长接收

8. 调试技巧与常见避坑

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1. UART 模块简介

UART（Universal Asynchronous Receiver/Transmitter）是嵌入式系统中最通用的串行通信接口。STM32 的 USART 外设功能非常强大，不仅支持标准的异步串口通信，还支持同步模式、单线半双工、LIN 总线、甚至 SmartCard 协议。

核心功能

• 全双工异步通信：RX 和 TX 独立工作，同时收发。

• 硬件流控 (RTS/CTS)：防止高速传输时数据缓冲区溢出。

• DMA 支持：实现零 CPU 占用的高速数据搬运。

• 多处理器通信：支持静默模式和地址唤醒。

• 同步同步模式 (USART)**：提供时钟输出 (SCLK)，可驱动 SPI 从机设备。

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2. 通信协议与参数配置

在 UART_InitTypeDef 结构体或 CubeMX 中，核心配置参数如下：

参数名称	HAL 宏定义示例	说明
波特率	BaudRate = 11520BaudRate = 115200`	通信速度，双方必须严格一致。常用 9600, 115200。
数据位	WordLength = UART_WORDLENGTH_8B	数据帧长度，通常为 8 位。若开启奇偶校验，某些系列需设为 9 位。
停止位	StopBits = UART_STOPBITS_1	帧结束标志，通常为 1 位。
校验位	Parity = UART_PARITYParity = UART_PARITY_NONE`	奇偶校验，通常无校验 (None)。
流控	HwFlowCtl = UART_HWCONTROL_NONE	硬件流控，高速传输时建议开启 RTS/CTS。
模式	Mode = UART_MODE_TX_RX	开启发送 (TX) 和接收 (RX)。

注意：通信双方（例如 STM32 与 电脑串口助手）的所有参数必须完全一致，否则会出现乱码。

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3. 三大工作模式详解

STM32 UART 数据收发主要有三种方式，适用于不同场景：

3.1 轮询模式 (Blocking / Polling)

• 原理：CPU 在 while 循环中不断查询状态寄存器，直到发送/接收完成。

• 优点：逻辑简单，无中断竞争。

• 缺点：严重阻塞 CPU，无法处理并发任务，容易丢数据。

• 场景：系统初始化打印、简单的调试信息输出。

3.2 中断模式 (Non-Blocking / IT)

• 原理：每接收或发送一个字节触发一次中断，CPU 暂停主程序去处理数据。

• 优点：CPU 不需要死等，实时性好。

• 缺点：大数据量时中断频繁，占用大量 CPU 资源（频繁压栈出栈）。

• 场景：低速、低频的命令交互（如 AT 指令）。

3.3 DMA 模式 (Direct Memory Access)

• 原理：DMA 控制器直接在内存（SRAM）和串口寄存器（DR）之间搬运数据，完成后才通知 CPU。

• 优点：CPU 零负载，适合高速、大数据流传输。

• 缺点：配置相对复杂，处理不定长数据需配合空闲中断 (Idle Line)。

• 场景：GPS 数据流、Modbus 协议、固件升级、高速传感器。

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4. HAL UART API 函数全集

以下函数定义在 stm32xx_hal_uart.c 中：

4.1 初始化与控制

// 初始化 UART（底层调用 HAL_UART_MspInit 配置引脚和时钟）
HAL_StatusTypeDef HAL_UART_Init(UART_HandleTypeDef *huart);
​
// 反初始化（释放 IO 和时钟）
HAL_StatusTypeDef HAL_UART_DeInit(UART_HandleTypeDef *huart);

4.2 数据发送 (Transmit)

// 轮询发送 (阻塞，直到发送完 Size 字节或超时)
HAL_StatusTypeDef HAL_UART_Transmit(UART_HandleTypeDef *huart, uint8_t *pData, uint16_t Size, uint32_t Timeout);
​
// 中断发送 (非阻塞)
HAL_StatusTypeDef HAL_UART_Transmit_IT(UART_HandleTypeDef *huart, uint8_t *pData, uint16_t Size);
​
// DMA 发送 (非阻塞，推荐)
HAL_StatusTypeDef HAL_UART_Transmit_DMA(UART_HandleTypeDef *huart, uint8_t *pData, uint16_t Size);

4.3 数据接收 (Receive)

// 轮询接收 (阻塞)
HAL_StatusTypeDef HAL_UART_Receive(UART_HandleTypeDef *huart, uint8_t *pData, uint16_t Size, uint32_t Timeout);
​
// 中断接收 (非阻塞)
HAL_StatusTypeDef HAL_UART_Receive_IT(UART_HandleTypeDef *huart, uint8_t *pData, uint16_t Size);
​
// DMA 接收 (非阻塞)
HAL_StatusTypeDef HAL_UART_Receive_DMA(UART_HandleTypeDef *huart, uint8_t *pData, uint16_t Size);
​
// DMA 接收 + 空闲中断检测 (处理不定长数据神器，部分新版 HAL 库支持)
HAL_StatusTypeDef HAL_UARTEx_ReceiveToIdle_DMA(UART_HandleTypeDef *huart, uint8_t *pData, uint16_t Size);

4.4 中断与状态

// 获取当前状态
HAL_UART_StateTypeDef HAL_UART_GetState(UART_HandleTypeDef *huart);
​
// 获取错误码 (如 ORE 溢出错误)
uint32_t HAL_UART_GetError(UART_HandleTypeDef *huart);

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5. 中断与 DMA 回调机制

HAL 库通过统一的中断处理函数分发事件，用户只需重写对应的 __weak 回调函数。

核心回调函数

回调函数名	触发时机	典型用途
HAL_UART_TxCpltCallback	发送完成 (IT/DMA)	切换 RS485 收发方向、启动下一次发送
HAL_UART_RxCpltCallback	接收定长数据完成	处理数据包、解析命令
HAL_UARTEx_RxEventCallbackHAL_UARTEx_RxEventCallback`	接收完成或空闲中断触发	DMA 不定长接收的核心处理处
HAL_UART_ErrorCallback	发生错误 (如溢出 ORE)	清除错误标志、重启接收

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6. printf 重定向实现

为了让 printf 输出到串口，需重写标准库底层输出函数。

6.1 Keil (MDK) 环境

在 main.c 或 usart.c 中添加（需勾选 "Use MicroLIB"）：

#include <stdio.h>
​
/* 重写 fputc */
int fputc(int ch, FILE *f)
{
    HAL_UART_Transmit(&huart1, (uint8_t *)&ch, 1, 0xFFFF);
    return ch;
}

6.2 GCC / STM32CubeIDE 环境

/* 重写 _write */
int _write(int file, char *ptr, int len)
{
    HAL_UART_Transmit(&huart1, (uint8_t *)ptr, len, 0xFFFF);
    return len;
}

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7. 实战工程示例：DMA不定长接收

这是实际项目中处理 GPS、WIFI 模块数据最稳定、最高效的方案。

7.1 初始化 (main.c)

#define RX_BUF_SIZE 256
uint8_t RxBuf[RX_BUF_SIZE]; // 接收缓冲区
​
int main(void)
{
    HAL_Init();
    SystemClock_Config();
    MX_USART1_UART_Init();
    MX_DMA_Init(); // 必须初始化 DMA
​
    // 启动 DMA 接收并开启空闲中断 (IDLE IE)
    // 此时串口会将数据搬运到 RxBuf，直到缓冲区满或线路空闲
    HAL_UARTEx_ReceiveToIdle_DMA(&huart1, RxBuf, RX_BUF_SIZE);
​
    while (1)
    {
        // 主循环处理业务
    }
}

7.2 回调处理 (main.c)

void HAL_UARTEx_RxEventCallback(UART_HandleTypeDef *huart, uint16_t Size)
{
    if (huart->Instance == USART1)
    {
        // Size 是实际接收到的字节数
        // 1. 处理数据 (建议拷贝到其他 buffer 或置标志位，不要在此耗时)
        Process_Data(RxBuf, Size);
​
        // 2. 必须重新开启接收 (DMA Normal 模式下)
        // 这里的 Size 参数是缓冲区最大长度
        HAL_UARTEx_ReceiveToIdle_DMA(&huart1, RxBuf, RX_BUF_SIZE);
    }
}

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8. 调试技巧与常见避坑

1. 乱码问题：

   • 检查外部晶振频率 (HSE) 设置是否与板子实际一致（如 8M vs 25M）。

   • 检查波特率两端是否一致。

   • 检查共地 （GND）

2. 接收中断只进一次：

   • 轮询/中断模式下，ORE (Overrun Error) 溢出错误会导致中断锁死。

   • 解决：在 HAL_UART_ErrorCallback 中清除错误标志，或在主循环检查并清除 ORE。

   • 中断回调中忘记再次调用 HAL_UART_Receive_IT。

3. DMA 接收数据不更新**：

   • 在 Cortex-M7 (F7/H7) 上，若开启了 D-Cache，DMA 更新了 SRAM 但 CPU 读的是 Cache 旧值。

   • 解决：配置 MPU 将 DMA 缓冲区设为 Non-Cacheable，或调用 SCB_InvalidateDCache_by_Addr。

4. printf 卡死： *

   • 未勾选 MicroLIB (Keil)。

   • 硬件上未连接 TX 线，导致一直等待发送完成