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
目录
UART 模块简介
通信协议与参数配置
三大工作模式详解
HAL UART API 函数全集
中断与 DMA 回调机制
printf 重定向实现
实战工程示例：DMA不定长接收
调试技巧与常见避坑
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。
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。
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。
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);
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 |
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; }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); } }8. 调试技巧与常见避坑
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）
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。
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。
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
