5.1 UART串口：寄存器级收发

5.1 UART 串口：寄存器级收发

前四章的程序都"哑巴"：跑没跑、跑到哪，全靠猜。这一节给芯片装上嘴和耳朵——UART 串口。它是嵌入式工程师用得最频繁的接口，没有之一：调试打印靠它、对接上位机靠它、很多模组（蓝牙、GPS、4G）的指令通道也是它。本节从帧格式讲到波特率寄存器的手算，再到轮询收发的完整寄存器代码，最后把 printf 重定向接上——从这一节起，你的程序正式学会说话。

帧格式：没有时钟线，靠约定同步

UART 是异步通信：收发两根线（TX 出、RX 进），没有共享时钟，同步全靠双方事先约定的波特率（每秒的位数）。数据按帧打包，一帧的标准结构：

空闲态高电平 | 起始位(0) | D0 D1 D2 D3 D4 D5 D6 D7 | 校验位(可选) | 停止位(1,1.5或2位)

例：发送 0x55（二进制 01010101），9600 波特，无校验，1 位停止位：
线序（按时间从左到右）：起始0 → 1,0,1,0,1,0,1,0 → 停止1
每 bit 时长 = 1/9600 ≈ 104.2 微秒，一帧共 10 bit，耗时约 1.04 毫秒
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接收方的策略很聪明：检测到起始位的下降沿后，不等一位结束而是在第 7、8、9 个采样点（位宽的正中间偏后）连续采三次、取多数，既对齐了位中心，又免疫边沿毛刺。这就是为什么波特率偏差不能太大——两边各差 2%，一帧 10 位累计偏移 20%，采样点就滑进邻位了。工程经验：两端时钟偏差控制在 3% 以内，所以 2.3 节说过 HSI 内部 RC 振荡器（±1%）能凑合跑串口但不敢保证长帧稳定，正经产品一律用晶振。

图 5-2：一帧数据的电平时间线与三采点

波特率寄存器：又是分频的数学

USART 的波特率发生器就是一个专用分频器。STM32F103 的 USART1 挂在 APB2（72 MHz），USART2/3 挂在 APB1（36 MHz，2.3 节的"双倍规则"不适用于 USART，它不翻倍）。波特率与 BRR 寄存器的关系：

波特率 = f_clk / (16 × USARTDIV)
USARTDIV = f_clk / (16 × 波特率)，BRR 寄存器 = USARTDIV × 4（小数部分存低 4 位）

例：USART1 @72MHz 求 115200：
USARTDIV = 72 MHz / (16 × 115200) = 39.0625
BRR = 39.0625 × 16 = 625 = 0x271 → 整数部分 39，小数 0.0625×16=1 → BRR = 0x271
实际波特率 = 72M / (16 × 39.0625) = 115200，误差 0%；
若求 9600：USARTDIV = 468.75，BRR = 0x1D7C，误差 0.02%，安全。
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误差核算永远是必要动作：算完实际波特率，与目标差超过 3% 就换主频或换波特率。串口乱码的头号嫌疑犯就是波特率误差，其次是两端共地——排障先查这两样，再怀疑别的。

轮询收发：TXE 与 RXNE 的舞蹈

USART 的数据通路很简单：CPU 把字节写进数据寄存器 DR，硬件按帧移位发出；对端发来的帧被移位收进移位寄存器，收满一帧自动落到 DR。CPU 怎么知道"能不能写、有没有货"？看状态寄存器 SR 的两个标志位：

#include "stm32f10x.h"

void usart1_init_115200(void)
{
    RCC->APB2ENR |= RCC_APB2ENR_USART1EN | RCC_APB2ENR_IOPAEN;

    /* PA9=TX 复用推挽，PA10=RX 浮空输入 */
    GPIOA->CRH &= ~(0xFFUL << 4);
    GPIOA->CRH |=  (0xBUL << 4)          /* PA9: CNF=10 MODE=11 复用推挽 */
               |  (0x4UL << 8);          /* PA10: CNF=01 MODE=00 浮空输入 */

    USART1->BRR = 0x271;                 /* 72 MHz 下 115200，见上文手算 */
    USART1->CR1 |= USART_CR1_TE | USART_CR1_RE | USART_CR1_UE;  /* 收发使能 + USART 开 */
}

void uart_putc(char c)
{
    while (!(USART1->SR & USART_SR_TXE)) { }   /* 等发送寄存器空 */
    USART1->DR = (uint8_t)c;
}

void uart_puts(const char *s)
{
    while (*s) uart_putc(*s++);
}

char uart_getc(void)                          /* 阻塞读：仅演示，工程上改中断收 */
{
    while (!(USART1->SR & USART_SR_RXNE)) { }
    return (char)USART1->DR;
}

/* 经典回显：收到什么回什么——串口链路通了的第一声问候 */
int main(void)
{
    usart1_init_115200();
    uart_puts("uart link ok\r\n");            /* \r\n 是串口终端的通用换行 */
    for (;;) {
        char c = uart_getc();
        uart_putc(c);
    }
}
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等待标志的循环里不需要 volatile 修饰——SR 定义在 CMSIS 头文件里时已带 volatile。轮询版接收的短板也摆明着：字节间隔稍密就溢出丢字（RXNE 没及时读走，又来一帧，溢出标志 ORE 置位）。工程解法两条路：开 RXNE 中断逐字节收，或开 IDLE 空闲中断成包收——把 4.1 的中断套路搬过来即可，ISR 里同样只做"读 DR、存缓冲、清标志"三件事。

printf 重定向：调试体验的分水岭

把标准库的 printf 接到串口，调试效率立刻上一个台阶——格式化输出变量、十进制十六进制随便看。Keil 的 MicroLIB 与 GCC 的 newlib 都通过一个底层函数重定向：

/* GCC + newlib：重写字符输出桩，printf 全家就都走串口了 */
#include <stdio.h>

int __io_putchar(int ch)          /* Keil MicroLIB 用 int fputc(int ch, FILE *f) */
{
    uart_putc((char)ch);
    return ch;
}

/* 用法：调试信息随手就来 */
// printf("duty=%d, ticks=%lu\r\n", (int)TIM3->CCR1, g_ticks_10ms);
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两个注意点：其一，printf 带着几 KB 的格式化代码，Flash 紧张的工程换成精简的自写打印函数；其二，ISR 里别 printf（4.1 的纪律），要打印就置标志回主循环打。printf 的两个嵌入式特有注意点值得补记。浮点格式化（%f）会把 newlib 的体积再抬高一截，Flash 紧张时用"定点数打印"替代——把 3.14 存成 314、打印时手动补小数点，是资源受限场景的经典手法。另外，中断上下文调用 printf 会踩 newlib 内部锁（reent 结构），轻则死等重则死锁，第 6 章的队列方案（中断入队、任务打印）才是正解——这里先把习惯立住：printf 只出现在任务与主循环里。

至此"改代码 → 烧录 → 打印验证"的循环完全打通，这个循环的顺畅程度直接决定后面所有开发的速度。下一节把镜头转向芯片之外的器件：I2C 总线上的传感器，正等着把你测到的数据通过串口报告出去。