STM32 USART 标准库完全指南——从串口发送到Printf重定向

写在最前：为什么是USART？

如果说GPIO是STM32的"手脚"，那USART就是它的"嘴巴和耳朵"——USART让单片机能够"说话"和"倾听"。

USART（Universal Synchronous Asynchronous Receiver Transmitter，通用同步异步收发器）最常用的形态就是串口。它的意义在于：

1. 调试利器：当你不知道程序跑到了哪里、变量的值是什么时，串口打印是最好的"显微镜"

2. 通信基础：GPS模块、蓝牙模块、WiFi模块、很多传感器都通过串口通信

3. 简单可靠：只需要两根线（TX和RX）就能实现双向通信

今天我们就把USART从里到外学透。

一、USART是什么？——从"对话"说起

1.1 最朴素的理解

想象两个人打电话：

• 一个人说话（发送），一个人听（接收）

• 他们事先约定好语速（波特率）、语言格式（数据帧格式）

• 这样才能保证对方听得懂

USART串口通信就是这样：两个设备通过一根TX线（发送）和一根RX线（接收）互相"对话"。发送方按约定的节奏把数据一位一位地发出去，接收方按相同的节奏一位一位地收进来。

1.2 关键术语一网打尽

在开始编程之前，先搞清楚这几个"串口黑话"：

一个完整数据帧的样子（以8位数据、无校验、1位停止位为例）：

空闲状态：高电平 起始位：低电平（1位） 数据位：从低位到高位依次发送（8位） 停止位：高电平（1位） 空闲状态：回到高电平

💡记忆：串口传输的节奏就像摩斯电码——有规律的"高低变化"代表"0和1"，收发双方用相同的"速度"（波特率）来理解这些变化。

二、USART的内部结构——从框图看本质

2.1 简化版框图

┌─────────────────────────────────────┐ │ USART │ │ ┌─────────┐ ┌──────────────┐ │ TX引脚 ◄─────────┼──┤ 发送 │ │ 波特率 │ │ │ │ 移位寄存器│◄──┤ 发生器 │ │ RX引脚 ◄─────────┼──┤ 接收 │ │ (波特率) │ │ │ │ 移位寄存器│ └──────────────┘ │ │ └─────────┘ │ │ ▲ ▲ │ │ │ │ │ │ ┌────┴────┴────┐ │ │ │ 数据寄存器 │ │ │ │ (DR寄存器) │ │ │ └─────────────┘ │ │ ▲ │ │ │ │ │ ┌────┴────┐ │ │ │ 控制逻辑 │ │ │ │ (CR1/CR2)│ │ │ └─────────┘ │ └─────────────────────────────────────┘ │ ▼ 与CPU总线连接

2.2 三大核心部件

① 波特率发生器：由内部时钟分频得到想要的波特率。F1系列用APB2（USART1）或APB1（USART2/3）时钟作为输入。

② 发送/接收移位寄存器：并行（CPU读写）转串行（引脚输出）的"翻译官"。CPU把一字节数据写入数据寄存器，移位寄存器再把它一位一位地"推"出去。

③ 数据寄存器（DR）：CPU和USART之间"交接数据"的地方。你往USART_DR写数据，USART自动发送；你读USART_DR，就拿到接收到的数据。

三、标准库编程——五步走

3.1 编程五步骤

使用USART的标准流程：

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1. 使能USART时钟和GPIO时钟 2. 配置GPIO为复用功能（TX推挽输出，RX浮空输入或上拉输入） 3. 配置USART参数（波特率、数据位、停止位、校验位等） 4. 使能USART 5. 在程序中发送或接收数据

3.2 第一步：使能时钟

c

#include "stm32f10x_rcc.h" // USART1挂在APB2总线上，GPIOA也挂在APB2 RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_USART1 | RCC_APB2Periph_GPIOA, ENABLE); // 注：USART2和USART3挂在APB1总线上，用RCC_APB1PeriphClockCmd // RCC_APB1PeriphClockCmd(RCC_APB1Periph_USART2, ENABLE);

⚠️重要：不同USART挂载的总线不同！

• USART1：APB2（最高72MHz）

• USART2、USART3：APB1（最高36MHz）

3.3 第二步：配置GPIO为复用功能

USART的TX和RX引脚需要配置为复用推挽输出（TX）和复用功能输入（RX）：

c

#include "stm32f10x_gpio.h" GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure; // 配置TX引脚（PA9）：复用推挽输出 GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_9; GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_AF_PP; // 复用推挽输出 GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz; GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStructure); // 配置RX引脚（PA10）：浮空输入或上拉输入 GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_10; GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_IN_FLOATING; // 浮空输入（推荐） // 或 GPIO_Mode_IPU（上拉输入，噪声较大的环境） GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStructure);

USART1常用引脚映射（不同型号可能不同，以手册为准）：

3.4 第三步：配置USART参数

c

#include "stm32f10x_usart.h" USART_InitTypeDef USART_InitStructure; USART_InitStructure.USART_BaudRate = 115200; // 波特率 USART_InitStructure.USART_WordLength = USART_WordLength_8b; // 数据位：8位 USART_InitStructure.USART_StopBits = USART_StopBits_1; // 停止位：1位 USART_InitStructure.USART_Parity = USART_Parity_No; // 无校验 USART_InitStructure.USART_HardwareFlowControl = USART_HardwareFlowControl_None; // 无硬件流控 USART_InitStructure.USART_Mode = USART_Mode_Tx | USART_Mode_Rx; // 同时使能发送和接收 USART_Init(USART1, &USART_InitStructure);

各参数的可选值详解：

参数1：USART_BaudRate

直接写入想要的波特率数值，如9600、115200、921600。

⚠️注意：波特率不能无限高，它受系统时钟限制。一般115200是最常用的"黄金波特率"——速度够快且稳定。

参数2：USART_WordLength— 数据位长度

参数3：USART_StopBits— 停止位个数

参数4：USART_Parity— 校验位

参数5：USART_HardwareFlowControl— 硬件流控

💡 什么是硬件流控？就是通过额外的引脚（RTS/CTS）通知对方"我准备好了，你发吧"或"我还没处理完，稍等"。防止数据丢失。

参数6：USART_Mode— 工作模式

3.5 第四步：使能USART

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USART_Cmd(USART1, ENABLE);

3.6 第五步：发送和接收

发送单个字节（阻塞方式）

c

void USART_SendByte(USART_TypeDef* USARTx, uint8_t data) { // 等待发送数据寄存器为空（即上一个数据已发送完成） while (USART_GetFlagStatus(USARTx, USART_FLAG_TXE) == RESET); // 发送数据 USART_SendData(USARTx, data); }

发送字符串

c

void USART_SendString(USART_TypeDef* USARTx, char* str) { while (*str) { USART_SendByte(USARTx, *str++); } }

接收单个字节（阻塞方式）

c

uint8_t USART_ReceiveByte(USART_TypeDef* USARTx) { // 等待接收数据寄存器非空（即收到数据） while (USART_GetFlagStatus(USARTx, USART_FLAG_RXNE) == RESET); // 读取数据 return USART_ReceiveData(USARTx); }

发送数据流程（CPU → TX引脚）

一句话概括：CPU把数据放到"发货窗口"，硬件自动把它从TX引脚"搬"出去。

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CPU写DR → 数据到发送DR → 自动转移到发送移位寄存器 → 按波特率从TX一位位发出

关键点：

• TXE标志（发送DR空）：发送前必须等它为1，否则新数据会覆盖旧数据

• 数据从DR到移位寄存器是硬件自动完成的，不需要CPU参与

• 每一位的发送速度由波特率发生器控制

代码对应：

c

while (USART_GetFlagStatus(USART1, USART_FLAG_TXE) == RESET); // 等窗口空 USART_SendData(USART1, data); // 放数据到窗口

接收数据流程（RX引脚 → CPU）

一句话概括：硬件从RX引脚一位位收，拼成一字节放到"收货窗口"，CPU来取。

text

RX收到起始位 → 按波特率采样数据位 → 拼成一字节到接收DR → RXNE置位 → CPU读DR取走

关键点：

• RXNE标志（接收DR非空）：收到数据后置1，表示"窗口有货"

• CPU读DR时，硬件自动清除RXNE标志

• 如果上一字节没被读走，新数据又来了 →溢出错误（ORE）→ 数据丢失

代码对应：

c

while (USART_GetFlagStatus(USART1, USART_FLAG_RXNE) == RESET); // 等有数据 data = USART_ReceiveData(USART1); // 从窗口取货

速记对照表

核心理解：DR是CPU和USART硬件之间的"交接台"。发送时CPU把货放上交接台，硬件自动搬走；接收时硬件把货放上交接台，CPU来取。

四、实战：串口发送Hello World

4.1 硬件连接

以STM32F103C8T6为例，USART1的默认引脚是：

• TX（PA9）→ 连接到USB转TTL模块的RX

• RX（PA10）→ 连接到USB转TTL模块的TX

• GND→ 连接到USB转TTL模块的GND

⚠️注意交叉连接：STM32的TX接模块的RX，STM32的RX接模块的TX（就像两个人面对面，你的右手握对方的左手）。

4.2 完整代码

c

#include "stm32f10x.h" // 硬件定义 #define USARTx USART1 #define USARTx_CLK RCC_APB2Periph_USART1 #define USARTx_GPIO_PORT GPIOA #define USARTx_GPIO_CLK RCC_APB2Periph_GPIOA #define USARTx_TX_PIN GPIO_Pin_9 #define USARTx_RX_PIN GPIO_Pin_10 // 发送单个字节 void USART_SendByte(USART_TypeDef* USARTx, uint8_t data) { while (USART_GetFlagStatus(USARTx, USART_FLAG_TXE) == RESET); USART_SendData(USARTx, data); } // 发送字符串 void USART_SendString(USART_TypeDef* USARTx, char* str) { while (*str) { USART_SendByte(USARTx, *str++); } } // 简单延时 void delay(uint32_t count) { while (count--); } int main(void) { GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure; USART_InitTypeDef USART_InitStructure; // 1. 使能时钟 RCC_APB2PeriphClockCmd(USARTx_GPIO_CLK | USARTx_CLK, ENABLE); // 2. 配置GPIO：TX复用推挽，RX浮空输入 GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = USARTx_TX_PIN; GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_AF_PP; GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz; GPIO_Init(USARTx_GPIO_PORT, &GPIO_InitStructure); GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = USARTx_RX_PIN; GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_IN_FLOATING; GPIO_Init(USARTx_GPIO_PORT, &GPIO_InitStructure); // 3. 配置USART参数 USART_InitStructure.USART_BaudRate = 115200; USART_InitStructure.USART_WordLength = USART_WordLength_8b; USART_InitStructure.USART_StopBits = USART_StopBits_1; USART_InitStructure.USART_Parity = USART_Parity_No; USART_InitStructure.USART_HardwareFlowControl = USART_HardwareFlowControl_None; USART_InitStructure.USART_Mode = USART_Mode_Tx | USART_Mode_Rx; USART_Init(USARTx, &USART_InitStructure); // 4. 使能USART USART_Cmd(USARTx, ENABLE); // 5. 主循环：定时发送 while (1) { USART_SendString(USARTx, "Hello STM32!\r\n"); delay(1000000); } }

4.3 代码解读

关键点1：等待TXE标志

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while (USART_GetFlagStatus(USARTx, USART_FLAG_TXE) == RESET);

TXE（Transmit Data Register Empty）标志表示"发送数据寄存器空了，可以往里面写新数据了"。如果不等它，直接连续发送会导致数据覆盖。

关键点2：\r\n换行
在串口助手中，\r（回车）和\n（换行）一起用才能正确换行。只用\n在某些终端会显示为只换行不回车。

五、进阶：重定向printf到串口

如果每次都用USART_SendString来打印，写起来太麻烦。我们可以把标准库的printf函数重定向到串口，这样就能像写电脑程序一样方便地打印了。

5.1 实现原理

printf最终会调用底层的一个函数来输出单个字符。我们只需实现这个函数——在标准库中叫fputc。

5.2 完整实现

c

// 需要包含标准库头文件 #include <stdio.h> // 重定向fputc：printf最终会调用这个函数 int fputc(int ch, FILE *f) { // 将字符ch发送到串口 while (USART_GetFlagStatus(USART1, USART_FLAG_TXE) == RESET); USART_SendData(USART1, (uint8_t)ch); return ch; }

5.3 工程配置（关键！）

使用printf需要勾选"Use MicroLIB"（微库），否则会报错：

Keil MDK操作步骤：

1. 点击魔术棒（Options for Target）

2. 切换到Target标签页

3. 在Code Generation区域，勾选Use MicroLIB

4. 点击OK保存

💡MicroLIB是ARM专门为嵌入式设备裁剪的C标准库，体积小，适合单片机使用。

5.4 使用示例

配置完成后，就可以直接用了：

c

int main(void) { // ... USART初始化代码同上 ... int count = 0; while (1) { printf("count = %d, 温度 = %.2f°C\r\n", count++, 26.5); delay(1000000); } }

串口助手会输出：

text

count = 0, 温度 = 26.50°C count = 1, 温度 = 26.50°C count = 2, 温度 = 26.50°C ...

六、进阶：中断方式接收（不阻塞CPU）

阻塞方式接收（while循环等标志位）有一个致命问题：CPU被卡住，什么事都干不了。在实际项目中，我们更常用中断方式接收。

6.1 中断接收的编程步骤

text

1. 初始化USART（同上） 2. 使能USART接收中断 3. 配置NVIC（嵌套向量中断控制器） 4. 编写中断服务函数

6.2 完整代码实现

c

#include "stm32f10x.h" uint8_t received_data = 0; volatile uint8_t new_data_flag = 0; // volatile防止被编译器优化 int main(void) { GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure; USART_InitTypeDef USART_InitStructure; NVIC_InitTypeDef NVIC_InitStructure; // 1~3步：使能时钟、配置GPIO、配置USART参数（同前面，略） // ... // 使能USART接收中断 USART_ITConfig(USART1, USART_IT_RXNE, ENABLE); // 配置NVIC NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannel = USART1_IRQn; NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelPreemptionPriority = 0; // 抢占优先级 NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelSubPriority = 0; // 子优先级 NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelCmd = ENABLE; NVIC_Init(&NVIC_InitStructure); // 使能USART USART_Cmd(USART1, ENABLE); while (1) { if (new_data_flag) { new_data_flag = 0; // 处理接收到的数据：回显（发回去） printf("收到: %c\r\n", received_data); } // 在这里CPU可以放心干别的事 } } // USART1中断服务函数（中断向量表里固定名称） void USART1_IRQHandler(void) { if (USART_GetITStatus(USART1, USART_IT_RXNE) != RESET) { received_data = USART_ReceiveData(USART1); new_data_flag = 1; // 清除中断标志（读取DR寄存器会自动清除RXNE标志） } }

6.3 中断方式的核心优势

七、标准库USART函数完整速查

7.1 初始化与配置

7.2 数据收发

7.3 标志位与状态

7.4 常用标志位详解

八、常见问题与避坑指南

Q1：串口助手没收到数据，或收到乱码？

Q2：使用printf报错？

Q3：接收到的数据是乱码？

• 检查波特率设置

• 检查数据位、停止位、校验位是否与串口助手一致

• 如果使用了printf，检查fputc中的USART是否与初始化的是同一个

Q4：中断方式收不到数据？

• 检查USART_ITConfig是否已调用

• 检查NVIC是否已配置且使能

• 检查中断服务函数名称是否正确（F103系列USART1的中断函数名是USART1_IRQHandler）

• 检查总中断是否开启：__enable_irq()（一般启动文件已开）

九、总结

今天我们学到了：

1. USART的本质：串行通信的一种方式，用一根TX线发送，一根RX线接收

2. 数据帧格式：起始位 + 数据位 + 校验位（可选）+ 停止位

3. 编程五步走：时钟 → GPIO → USART参数 → 使能 → 收发 ； 数据收发流程

4. 三种收发方式：

   • 阻塞发送（最常用，简单可靠）

   • 阻塞接收（只适合简单测试）

   • 中断接收（实际项目首选）

5. printf重定向：让串口打印像电脑编程一样方便