第4章 UART串口驱动

4. UART串口驱动：从框图到printf重定向

串口，嵌入式开发者的老朋友了。说实话，我入行这些年，调试用的最多的就是UART。不管是打印日志、跟传感器通信，还是跟Wi-Fi模块打交道，UART几乎无处不在。今天咱们就把STM32的USART模块彻底聊透。

4.1 USART框图与核心特性

先看框图。USART内部其实不复杂，核心就三块：

发送器：数据从TX引脚发出去
接收器：数据从RX引脚收进来
波特率发生器：决定通信速度

我个人习惯把USART理解成一个「快递站」。你要发的数据先放进发送数据寄存器（TDR），然后移位寄存器按波特率一位一位搬出去。接收反过来，移位寄存器收齐一个字节，再放到接收数据寄存器（RDR）等你来取。

关键特性速览：

支持全双工通信——收发可以同时进行
可编程的数据字长度（8位或9位）
可配置的停止位（0.5、1、1.5、2位）
硬件流控制（RTS/CTS）——我很少用，但某些模块需要
DMA传输支持——大数据量时的救星

嗯，这里要注意：STM32的USART和UART有区别。USART支持同步模式，多了个SCLK时钟引脚。但咱们99%的场景只用异步模式，也就是UART。

4.2 HAL_UART_Init() 配置详解

HAL库把初始化封装成了HAL_UART_Init()。你想想看，这个函数背后到底干了什么？

我拆开给你看：

UART_HandleTypeDef huart1;

void MX_USART1_UART_Init(void)
{
    huart1.Instance = USART1;
    huart1.Init.BaudRate = 115200;
    huart1.Init.WordLength = UART_WORDLENGTH_8B;
    huart1.Init.StopBits = UART_STOPBITS_1;
    huart1.Init.Parity = UART_PARITY_NONE;
    huart1.Init.Mode = UART_MODE_TX_RX;
    huart1.Init.HwFlowCtl = UART_HWCONTROL_NONE;
    huart1.Init.OverSampling = UART_OVERSAMPLING_16;
    HAL_UART_Init(&huart1);
}

每个参数我都踩过坑：

BaudRate：115200是黄金速率。我曾经图快设成921600，结果线稍微长一点就丢数据。
WordLength：8位数据位是标准配置。除非你传特殊协议，否则别动它。
Parity：奇偶校验。我建议平时关掉，除非通信环境特别恶劣。
OverSampling：16倍过采样更稳定，8倍可以跑更高波特率。

避坑指南：

我曾经在F103上遇到一个诡异问题——串口偶尔收不到数据。查了两天才发现是GPIO复用功能没配置对。记住：HAL_UART_Init()只配USART外设，GPIO的AF模式要单独配！

4.3 中断接收与发送

轮询方式太浪费CPU了。实际项目中，我几乎只用中断方式。

中断接收的流程很简单：

使能USART接收中断
数据到达时，硬件自动触发中断
在中断回调函数里取数据

// 启动中断接收
HAL_UART_Receive_IT(&huart1, &rx_byte, 1);

// 中断回调
void HAL_UART_RxCpltCallback(UART_HandleTypeDef *huart)
{
    if (huart->Instance == USART1) {
        // 处理收到的数据
        process_byte(rx_byte);
        // 重新开启下一次接收
        HAL_UART_Receive_IT(&huart1, &rx_byte, 1);
    }
}

为什么每次接收完要重新调用HAL_UART_Receive_IT()？因为HAL库的设计是一次性的。你调用一次，它只等一个字节。收完了就停，得手动再开。

发送中断类似：

HAL_UART_Transmit_IT(&huart1, tx_buffer, len);

发送完成后会触发HAL_UART_TxCpltCallback()。我一般在这里设置一个标志位，告诉主循环数据发完了。

个人经验：

中断接收里别做复杂处理。我见过有人直接在回调里做协议解析、写Flash……结果中断嵌套把自己搞死了。正确的做法是：中断里只放环形缓冲区，主循环再慢慢处理。

4.4 DMA传输模式

如果你要发大量数据，比如一次发几K字节，用中断方式会频繁进中断，CPU都被占满了。这时候DMA就派上用场了。

DMA传输说白了就是：CPU告诉DMA控制器「帮我把这堆数据搬到USART的发送寄存器」，然后CPU就可以去干别的事了。

// DMA发送
HAL_UART_Transmit_DMA(&huart1, tx_buffer, len);

// DMA接收
HAL_UART_Receive_DMA(&huart1, rx_buffer, BUFFER_SIZE);

DMA传输完成会触发回调：

void HAL_UART_TxCpltCallback(UART_HandleTypeDef *huart)
{
    // 发送完成，可以准备下一批数据了
}

void HAL_UART_RxCpltCallback(UART_HandleTypeDef *huart)
{
    // 接收完成，缓冲区里有BUFFER_SIZE个字节
}

我记得有个项目需要连续接收GPS数据，每秒输出10条NMEA语句。用中断方式CPU占用率飙到30%，换成DMA后直接降到2%。

注意：

DMA接收有个坑——它是固定长度的。如果你不知道数据什么时候结束，需要用空闲中断（IDLE）配合。具体做法是：DMA一直收着，空闲中断来了就说明一帧数据结束了，这时候去DMA缓冲区里取数据。

4.5 printf重定向实现

调试时最常用的就是printf。但STM32上默认没有printf，得自己重定向。

原理很简单：printf最终会调用fputc()，我们只要把fputc()改成通过USART发送就行。

#include <stdio.h>

int fputc(int ch, FILE *f)
{
    HAL_UART_Transmit(&huart1, (uint8_t *)&ch, 1, HAL_MAX_DELAY);
    return ch;
}

然后在工程设置里勾选「Use MicroLIB」。为什么？因为标准C库的printf太大了，MicroLIB是精简版，专门给嵌入式用的。

用起来就简单了：

printf("Hello, STM32!\r\n");
printf("Baud rate: %d\r\n", 115200);

避坑指南：

我曾经忘了加\r\n，结果串口助手上一行接一行地显示，根本看不清。记住：\r是回车，\n是换行，两个都要加。

另外，HAL_UART_Transmit的最后一个参数是超时时间。我习惯设HAL_MAX_DELAY，但如果你在中断里调用printf，千万别用这个——会死锁。中断里用HAL_UART_Transmit_IT()或者直接操作寄存器。

4.6 本章小结

UART驱动说难不难，说简单也不简单。核心就几点：

初始化时注意GPIO复用配置
中断方式适合小数据量，DMA适合大数据量
printf重定向是调试利器，但注意使用场景
环形缓冲区是串口接收的标配

嗯，这些够你应付大部分项目了。下一章咱们聊聊I2C，那个协议比UART稍微复杂点，但套路是一样的。

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