STM32HAL庫 -- 8.串口UART通信并開啟printf功能

1.簡介

2.串口和UART?

2.1串口的簡介

2.2UART的簡介

2.3UART通信協議

2.3.1波特率

2.3.2空閑位

2.3.3起始位

2.3.4數據位

2.3.5校驗位

2.3.6停止位

3.STM32的UART

4.HAL庫中常用的操作UART的函數

4.1UART初始化函數 --?HAL_UART_Init

4.2硬件初始化回調函數 -- HAL_UART_MspInit

4.3發送數據函數 --?HAL_UART_Transmit?

4.4接收數據的函數 --?HAL_UART_Receive

4.5使能中斷源 --?__HAL_UART_ENABLE_IT

4.6獲取UART的狀態標志 --?__HAL_UART_GET_FLAG

4.7清除指定的 UART 狀態標志位 --?__HAL_UART_CLEAR_FLAG

5.發送接收數據實驗并打開串口printf功能

5.1硬件連接

5.2代碼編寫

5.2.1配置UART

5.2.2中斷函數

5.2.3重定義fputc -- 支持printf函數

6.整體代碼 && 實驗現象

6.1uart1.h

6.2uart1.c

6.3main.c

6.4實驗現象

1.簡介

? ? ? ? 這個文章會介紹串口通信，然后編寫代碼完成單片機通過串口發送到電腦，電腦發送數據到單片機的過程。

? ? ? ? 作者使用的開發板是正點原子的精英版，寫文章用于記錄學習和經驗分享。

2.串口和UART?

2.1串口的簡介

????????串口（Serial Port）是一種常見的數據通信接口，用于實現設備之間的串行通信（Serial Communication）。所謂“串行”，是指數據是按一位一位的順序進行發送或接收的，與并行通信（一次性傳輸多個比特）相對。

2.2UART的簡介

????????UART（Universal Asynchronous Receiver/Transmitter），UART 全稱是通用異步收發器，是一種硬件模塊，用于實現異步串行通信。它是實現串口通信的核心邏輯電路。

????????UART也是一種廣泛應用于嵌入式系統中的異步串行通信協議，通過定義數據幀格式和波特率實現設備之間的點對點數據傳輸。它僅需兩根信號線（TXD發送、RXD接收），無需共享時鐘，具有結構簡單、使用方便、兼容性強等優點，常用于調試輸出、傳感器通信、模塊交互等場景。

? ? ? ? 設備1的TX（發送端）接入設備2的RX（接收端），設備1的RX（接收端）接入設備2的（發送端），這樣就實現了全雙工通信。也可以單工通信，就是一發一收，接通一路TX、RX即可。

2.3UART通信協議

????????UART的一個完整的數據幀通常包括起始位、數據位、可選的校驗位和停止位，通信雙方必須保持波特率和數據格式一致才能正常工作。

2.3.1波特率

????????波特率（Baud Rate）是串行通信中的一個關鍵參數，用于表示每秒傳輸的信號變化次數，單位是 bps（bits per second）。在 UART 通信中，波特率決定了數據傳輸的速度。

????????在 UART 通信中，發送端和接收端必須設置相同的波特率，否則會導致數據接收不到或者接收內容與發送的內容不一致的問題。

2.3.2空閑位

????????空閑位（Idle State）是指當串口未發送或接收任何數據時，數據線（通常是 TXD 或 RXD）處于高電平狀態。數據幀以一個起始位（Start Bit，低電平）開始，空閑位作為幀與幀之間的間隔，確保接收方能正確識別下一幀數據。

2.3.3起始位

????????起始位（Start Bit）是 UART 數據幀中的第一個信號位，用于通知接收端：一幀數據即將開始傳輸。電平狀態固定為低電平（0）；長度為 1 位。

2.3.4數據位

????????數據位（Data Bits）是 UART 數據幀中承載實際信息的部分，表示一次通信中傳輸的有效數據內容。數據的長度通常為 5 到 8 位，8位用的最廣泛，因為正好是1字節的大小。

????????發送的順序是低位先發（LSB First）。例如字符 'A' 的 ASCII 碼為：0x41（十六進制）二進制表示為：01000001? ? ?UART 發送順序（LSB 先發）：1 0 0 0 0 0 1 0

2.3.5校驗位

????????校驗位（Parity Bit）是 UART 數據幀中一個可選的錯誤檢測位，用于在通信過程中簡單判斷數據是否出錯。校驗位的位置在數據位之后、停止位之前。可以選擇無校驗（None）、偶校驗（Even）、奇校驗（Odd）。

校驗方式	要求總“1”個數為...	示例（數據位：01000001 → 有兩個“1”）
偶校驗（Even）	偶數個“1”	校驗位 =?0（使總數仍為偶數）
奇校驗（Odd）	奇數個“1”	校驗位 =?1（使總數變為奇數）

????????接收端收到后會重新計算并比對校驗位，若不一致則判定為傳輸錯誤。即使數據吃錯，也不會糾正錯誤，就僅僅簡單的校驗而已。

2.3.6停止位

????????停止位（Stop Bit）是 UART 數據幀中的最后一個部分，用于標識一次數據傳輸的結束，同時為下一次通信提供時間間隔。電平狀態固定為高電平（1）；長度可選為 1 位、1.5 位或?2 位。

3.STM32的UART

? ? ? ? 作者使用的是STM32F103ZET6為微控制器的開發板，該微控制器內置了3個通用同步/異步收發器(USART1、USART2和USART3)，和2個通用異步收發器(UART4和UART5)。

????????UART 只支持異步串行通信，而USART 是 UART 的“升級版”，既支持異步也支持同步通信，功能更強大。在這里就把USART當作UART用就好。

? ? ? ? 附上框圖，雖然我沒咋看懂。

4.HAL庫中常用的操作UART的函數

? ? ? ? 打開HAL庫的stm32f1xx_hal_uart.c文件。

4.1UART初始化函數 --?HAL_UART_Init

HAL_StatusTypeDef HAL_UART_Init(UART_HandleTypeDef *huart);

????????這個函數是 STM32 HAL 庫中用于初始化 UART 外設的核心函數。主要配置使用哪個UART、波特率、數據位、校驗位、停止位、CTS/RTS硬件流控位和收發模式。

? ? ? ? 函數的參數 UART_HandleTypeDef *huart 是指向一個 UART 句柄結構體的指針，該結構體包含了 UART 的配置信息和運行狀態。

? ? ? ? 函數的返回值（HAL_StatusTypeDef）：

返回值	含義
`HAL_OK`	初始化成功
`HAL_ERROR`	初始化失敗（如參數錯誤、硬件故障）
`HAL_BUSY`	UART 正在被使用
`HAL_TIMEOUT`	操作超時

4.2硬件初始化回調函數 -- HAL_UART_MspInit

__weak void HAL_UART_MspInit(UART_HandleTypeDef *huart);

? ? ? ? 這個函數是 HAL 庫中 UART 的底層硬件初始化函數，必須由用戶根據實際硬件平臺實現，用于配置 GPIO、時鐘、中斷等。這是一個公共的函數，通過HAL_UART_Init函數進行調用。同時也是虛函數，意思是要我們自己寫函數的內容。

????????函數的參數 UART_HandleTypeDef *huart 是指向一個 UART 句柄結構體的指針，該結構體包含了 UART 的配置信息和運行狀態。

4.3發送數據函數 --?HAL_UART_Transmit?

HAL_StatusTypeDef HAL_UART_Transmit(UART_HandleTypeDef *huart, uint8_t *pData, uint16_t Size, uint32_t Timeout)

????????該函數用于通過 UART 以阻塞方式發送一組數據（一個字節數組），直到全部發送完成或發生錯誤/超時。使用簡單，適合不使用中斷或 DMA 的場景。

參數說明：

參數名	類型	說明
`huart`	`UART_HandleTypeDef*`	UART 句柄指針，指向已配置好的 UART 實例（如?`&huart1`）
`pData`	`uint8_t*`	指向要發送數據的緩沖區（字節數組）
`Size`	`uint16_t`	要發送的數據長度（字節數）
`Timeout`	`uint32_t`	等待發送完成的最大時間（單位：ms），設為?`HAL_MAX_DELAY`?表示無限等待

4.4接收數據的函數 --?HAL_UART_Receive

HAL_StatusTypeDef HAL_UART_Receive(UART_HandleTypeDef *huart, uint8_t *pData, uint16_t Size, uint32_t Timeout);

????????該函數用于通過 UART 以阻塞方式接收指定數量的字節數據。會一直等待直到：接收到指定數量的數據（Size 字節）或發生錯誤 / 超時。

參數說明：

`huart`	`UART_HandleTypeDef*`	UART 句柄指針（如?`&huart1`）
`pData`	`uint8_t*`	指向接收緩沖區的指針（用于存儲接收到的數據）
`Size`	`uint16_t`	要接收的數據長度（字節數）
`Timeout`	`uint32_t`	接收等待最大時間（單位：ms），設為?`HAL_MAX_DELAY`?表示無限等待

4.5使能中斷源 --?__HAL_UART_ENABLE_IT

__HAL_UART_ENABLE_IT(__HANDLE__, __INTERRUPT__)

? ? ? ? 這是一個宏函數。該宏用于直接使能 UART 的某個中斷源。

參數說明：

__HANDLE__：就是 UART的句柄指針 UART_HandleTypeDef* 。

__INTERRUPT__:中斷源?

宏定義	中斷名稱	觸發條件	是否常用
`UART_IT_CTS`	CTS 變化中斷	當 CTS 引腳電平變化時觸發（硬件流控相關）	? 較少使用
`UART_IT_LBD`	LIN 斷點檢測中斷	檢測到 LIN 總線斷點標志（用于 LIN 協議）	? 特定場景
`UART_IT_TXE`	發送緩沖區空中斷	當發送寄存器為空，可以寫入新數據時觸發	? 常用
`UART_IT_TC`	發送完成中斷	整個數據幀傳輸完成后觸發	? 常用
`UART_IT_RXNE`	接收緩沖區非空中斷	當收到一個字節數據時觸發	? 最常用
`UART_IT_IDLE`	空閑總線檢測中斷	當 UART 接收線上檢測到空閑時觸發（常用于接收不定長數據幀）	? 高級應用
`UART_IT_PE`	校驗錯誤中斷	接收到的數據發生奇偶校驗錯誤時觸發	?? 錯誤檢測
`UART_IT_ERR`	錯誤中斷（綜合）	包括幀錯誤、噪聲錯誤、溢出錯誤等	?? 錯誤處理

4.6獲取UART的狀態標志 --?__HAL_UART_GET_FLAG

__HAL_UART_GET_FLAG(__HANDLE__, __FLAG__)

????????用于讀取 UART 狀態標志位的宏，常用于輪詢或中斷中判斷事件是否發生，是實現串口通信控制和錯誤檢測的關鍵工具。

參數說明：

__HANDLE__：就是 UART的句柄指針 UART_HandleTypeDef* 。

__FLAG__：

宏定義	對應標志	描述
`UART_FLAG_CTS`	CTS 標志位	CTS 引腳狀態變化（硬件流控）
`UART_FLAG_LBD`	LIN 斷點標志	LIN 總線斷點檢測
`UART_FLAG_TXE`	發送緩沖區空標志	表示可以寫入新數據
`UART_FLAG_TC`	發送完成標志	整幀數據發送完成
`UART_FLAG_RXNE`	接收緩沖區非空標志	表示已接收到一個字節
`UART_FLAG_IDLE`	空閑總線標志	UART 總線空閑檢測（常用于不定長接收）
`UART_FLAG_ORE`	溢出錯誤標志	接收緩沖區溢出
`UART_FLAG_NE`	噪聲錯誤標志	接收到噪聲干擾
`UART_FLAG_FE`	幀錯誤標志	數據格式錯誤
`UART_FLAG_PE`	校驗錯誤標志	奇偶校驗失敗

4.7清除指定的 UART 狀態標志位 --?__HAL_UART_CLEAR_FLAG

__HAL_UART_CLEAR_FLAG(__HANDLE__, __FLAG__)

????????該宏用于清除指定的 UART 狀態標志位。在某些中斷或輪詢操作中，需要手動清除標志以避免重復觸發或狀態錯誤。

參數說明：

__HANDLE__：就是 UART的句柄指針 UART_HandleTypeDef* 。

__FLAG__：

宏定義	對應標志	是否需要手動清除	說明
`UART_FLAG_CTS`	CTS 標志	? 是	清除 CTS 中斷標志
`UART_FLAG_LBD`	LIN 斷點標志	? 是	清除 LIN 檢測標志
`UART_FLAG_TC`	發送完成標志	? 是	清除發送完成標志
`UART_FLAG_IDLE`	空閑總線標志	? 是	常用于接收不定長數據幀后需清除
`UART_FLAG_RXNE`	接收緩沖區非空標志	? 否	讀取 DR 寄存器自動清除
`UART_FLAG_TXE`	發送緩沖區空標志	? 否	寫入 DR 自動清除
`UART_FLAG_ORE`	溢出錯誤標志	? 是	清除溢出標志
`UART_FLAG_NE`	噪聲錯誤標志	? 是	清除噪聲錯誤標志
`UART_FLAG_FE`	幀錯誤標志	? 是	清除幀錯誤標志
`UART_FLAG_PE`	校驗錯誤標志	? 是	清除奇偶校驗錯誤標志

5.發送接收數據實驗并打開串口printf功能

5.1硬件連接

? ? ? ? 一般地，STM32處理器的PA9和PA10就是對應的USART的TX和RX引腳。而且帶有type-c USB線直接連接到電腦上進行調試的功能。如果讀者使用的是最小系統板，就用USB轉TTL再進行連線到核心板就好，功能是一樣的。

5.2代碼編寫

5.2.1配置UART

????????使用上面介紹的HAL_UART_Init配置UART1。

UART_HandleTypeDef g_uart1_handle;						//UART1句柄
/*** @brief       串口1初始化函數* @param       baudrate: 波特率, 根據自己需要設置波特率值* @retval      無*/
void uart1_init(unsigned int baudrate)
{g_uart1_handle.Instance = USART1;						//配置的是USART1g_uart1_handle.Init.BaudRate = baudrate;				//波特率g_uart1_handle.Init.WordLength = UART_WORDLENGTH_8B;	//數據位為8位g_uart1_handle.Init.StopBits = UART_STOPBITS_1;			//停止位為1位g_uart1_handle.Init.Parity = UART_PARITY_NONE;			//無校驗位g_uart1_handle.Init.HwFlowCtl = UART_HWCONTROL_NONE;	//不使用CTS/RTS硬件流控位g_uart1_handle.Init.Mode = UART_MODE_TX_RX;				//UART發送和接收HAL_UART_Init(&g_uart1_handle);							//調用初始化函數進行初始化
}

????????再使用HAL_UART_MspInit進行底層硬件初始化，進行打開時鐘，配置GPIO和打開中斷。

? ? ? ? 對于發送數據引腳PA9，要求是推挽復用輸出模式，上拉模式，速度中速高速都行。

? ? ? ? 對于接收數據引腳PA10，要求是復用輸入模式，上拉模式。

? ? ? ? 要使用HAL_NVIC_EnableIRQ函數打開USART1的中斷，并設置中斷優先級，然后再使用宏函數打開具體的UART中斷。這里打開的是空閑中斷和接收中斷。

*** @brief       UART底層初始化函數* @param       huart: UART句柄類型指針* @note        此函數會被HAL_UART_Init()調用*              完成時鐘使能，引腳配置，中斷配置* @retval      無*/
void HAL_UART_MspInit(UART_HandleTypeDef *huart)
{if(huart->Instance == USART1){/*	1.打開時鐘	*/__HAL_RCC_USART1_CLK_ENABLE();__HAL_RCC_GPIOA_CLK_ENABLE();/*	2.配置GPIO	*/GPIO_InitTypeDef gpio_handle = {0};gpio_handle.Pin = UART1_TX_PIN;gpio_handle.Mode = GPIO_MODE_AF_PP;gpio_handle.Pull = GPIO_PULLUP;gpio_handle.Speed = GPIO_SPEED_FREQ_MEDIUM;HAL_GPIO_Init(UART1_TX_PORT, &gpio_handle);gpio_handle.Pin = UART1_RX_PIN;gpio_handle.Mode = GPIO_MODE_AF_INPUT;gpio_handle.Pull = GPIO_PULLUP;HAL_GPIO_Init(UART1_RX_PORT, &gpio_handle);/*	3.打開中斷	*/HAL_NVIC_SetPriority(USART1_IRQn, 2, 2);HAL_NVIC_EnableIRQ(USART1_IRQn);__HAL_UART_ENABLE_IT(huart, UART_IT_RXNE);		//打開接收中斷__HAL_UART_ENABLE_IT(huart, UART_IT_IDLE);		//打開空閑中斷}
}

5.2.2中斷函數

? ? ? ? 打開了接收中斷之后，當接收到數據時，就跳到中斷函數進行接收數據。當接收完成后，即進入空閑中斷。在空閑中斷中可進行其他操作。

? ? ? ? 這里的邏輯比較簡單，當觸發了接收緩沖區非空中斷（接收到1字節數據），就進行接收數據的操作。數據一字節一字節的拷貝進g_uart1_rx_buf數組中，用于存儲接收的數據。接收中斷的標志會自動的清除。

? ? ? ? 當觸發空閑總線檢測中斷（數據接收完成），就進行打印操作，并且清空用于存儲接收數據的數組。然后要手動的清除空閑中斷標志，否則程序會一直在這里。

/*** @brief       串口1中斷服務函數* @note        在此使用接收中斷,實現不定長數據收發* @param       無* @retval      無*/
void USART1_IRQHandler(void)
{unsigned char recv_data;if(__HAL_UART_GET_FLAG(&g_uart1_handle, UART_FLAG_RXNE) != RESET){if(g_uart1_rx_len >= sizeof(g_uart1_rx_buf))g_uart1_rx_len = 0;HAL_UART_Receive(&g_uart1_handle, &recv_data, 1, 1000);g_uart1_rx_buf[g_uart1_rx_len++] = recv_data;}if(__HAL_UART_GET_FLAG(&g_uart1_handle, UART_FLAG_IDLE) != RESET){printf("recv:%s\r\n", g_uart1_rx_buf);uart1_clear_rx_buf();__HAL_UART_CLEAR_IDLEFLAG(&g_uart1_handle);}
}

5.2.3重定義fputc -- 支持printf函數

????????fputc() 是 printf() 的底層輸出函數通過重寫該函數，可以將 printf() 輸出重定向到串口，便于調試和日志輸出。

/*** @brief       重定義fputc函數* @note        printf函數最終會通過調用fputc輸出字符串到串口*/
int fputc(int ch, FILE *f)
{while ((USART1->SR & 0X40) == 0);                 /* 等待上一個字符發送完成 */USART1->DR = (uint8_t)ch;                         /* 將要發送的字符 ch 寫入到DR寄存器 */return ch;
}

????????USART1->SR 是 UART 的狀態寄存器（Status Register）；0x40 對應的是 TXE（Transmit Data Register Empty）標志位。當 TXE=1 表示 DR 寄存器為空，即可以寫入新數據。將字符 ch 寫入數據寄存器（Data Register），開始通過USART1向外發送。

6.整體代碼 && 實驗現象

6.1uart1.h

? ? ? ? 主要進行了UART1的引腳宏定義和函數聲明。

#ifndef __UART1_H__
#define __UART1_H__#include "stdio.h"
#include "sys.h"/**********************宏定義**************************************/
/*		引腳定義	*/
#define		UART1_TX_PORT			GPIOA
#define		UART1_TX_PIN			GPIO_PIN_9#define		UART1_RX_PORT			GPIOA
#define		UART1_RX_PIN			GPIO_PIN_10/* UART收發緩沖大小 */
#define UART1_RX_BUF_SIZE            128
#define UART1_TX_BUF_SIZE            64/* 錯誤代碼 */
#define UART1_EOK                     0      /* 沒有錯誤 */
#define UART1_ERROR                   1      /* 通用錯誤 */
#define UART1_ETIMEOUT                2      /* 超時錯誤 */
#define UART1_EINVAL                  3      /* 參數錯誤 *//**********************函數聲明**************************************/
void uart1_init(unsigned int baudrate);            /* 串口初始化函數 */#endif

6.2uart1.c

? ? ? ? 操作USART1的函數。

#include "sys.h"
#include "uart1.h"
#include "string.h"/*		全局變量		*/
unsigned char g_uart1_rx_buf[UART1_RX_BUF_SIZE];		//保存接收的數據
unsigned short g_uart1_rx_len = 0;						//接收數據的長度
UART_HandleTypeDef g_uart1_handle;						//UART1句柄/*** @brief       重定義fputc函數* @note        printf函數最終會通過調用fputc輸出字符串到串口*/
int fputc(int ch, FILE *f)
{while ((USART1->SR & 0X40) == 0);                                       /* 等待上一個字符發送完成 */USART1->DR = (uint8_t)ch;                                               /* 將要發送的字符 ch 寫入到DR寄存器 */return ch;
}/*** @brief       串口1初始化函數* @param       baudrate: 波特率, 根據自己需要設置波特率值* @retval      無*/
void uart1_init(unsigned int baudrate)
{g_uart1_handle.Instance = USART1;						//配置的是USART1g_uart1_handle.Init.BaudRate = baudrate;				//波特率g_uart1_handle.Init.WordLength = UART_WORDLENGTH_8B;	//數據位為8位g_uart1_handle.Init.StopBits = UART_STOPBITS_1;			//停止位為1位g_uart1_handle.Init.Parity = UART_PARITY_NONE;			//無校驗位g_uart1_handle.Init.HwFlowCtl = UART_HWCONTROL_NONE;	//不使用CTS/RTS硬件流控位g_uart1_handle.Init.Mode = UART_MODE_TX_RX;				//UART發送和接收HAL_UART_Init(&g_uart1_handle);							//調用初始化函數進行初始化
}/*** @brief       UART底層初始化函數* @param       huart: UART句柄類型指針* @note        此函數會被HAL_UART_Init()調用*              完成時鐘使能，引腳配置，中斷配置* @retval      無*/
void HAL_UART_MspInit(UART_HandleTypeDef *huart)
{if(huart->Instance == USART1){/*	1.打開時鐘	*/__HAL_RCC_USART1_CLK_ENABLE();__HAL_RCC_GPIOA_CLK_ENABLE();/*	2.配置GPIO	*/GPIO_InitTypeDef gpio_handle = {0};gpio_handle.Pin = UART1_TX_PIN;gpio_handle.Mode = GPIO_MODE_AF_PP;gpio_handle.Pull = GPIO_PULLUP;gpio_handle.Speed = GPIO_SPEED_FREQ_MEDIUM;HAL_GPIO_Init(UART1_TX_PORT, &gpio_handle);gpio_handle.Pin = UART1_RX_PIN;gpio_handle.Mode = GPIO_MODE_AF_INPUT;gpio_handle.Pull = GPIO_PULLUP;HAL_GPIO_Init(UART1_RX_PORT, &gpio_handle);/*	3.打開中斷	*/HAL_NVIC_SetPriority(USART1_IRQn, 2, 2);HAL_NVIC_EnableIRQ(USART1_IRQn);__HAL_UART_ENABLE_IT(huart, UART_IT_RXNE);		//打開接收中斷__HAL_UART_ENABLE_IT(huart, UART_IT_IDLE);		//打開空閑中斷}
}/*** @brief       UART1接收緩沖區清除* @param       無* @retval      無*/
void uart1_clear_rx_buf(void)
{memset(g_uart1_rx_buf, 0, sizeof(g_uart1_rx_buf));g_uart1_rx_len = 0;
}/*** @brief       串口1中斷服務函數* @note        在此使用接收中斷,實現不定長數據收發* @param       無* @retval      無*/
void USART1_IRQHandler(void)
{unsigned char recv_data;if(__HAL_UART_GET_FLAG(&g_uart1_handle, UART_FLAG_RXNE) != RESET){if(g_uart1_rx_len >= sizeof(g_uart1_rx_buf))g_uart1_rx_len = 0;HAL_UART_Receive(&g_uart1_handle, &recv_data, 1, 1000);g_uart1_rx_buf[g_uart1_rx_len++] = recv_data;}if(__HAL_UART_GET_FLAG(&g_uart1_handle, UART_FLAG_IDLE) != RESET){printf("recv:%s\r\n", g_uart1_rx_buf);uart1_clear_rx_buf();__HAL_UART_CLEAR_IDLEFLAG(&g_uart1_handle);}
}

6.3main.c

? ? ? ? 在主函數中調用uart1_init函數，傳遞的參數115200是波特率。

#include "main.h"int main(void)
{HAL_Init();                         /* 初始化HAL庫 */stm32_clock_init(RCC_PLL_MUL9); 	/* 設置時鐘, 72Mhz */uart1_init(115200);while(1){delay_ms(10);}
}