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2026-07-24
3849
15m

L3 UART / USART 通信基础 ​

本课目标

能解释异步串口数据帧，正确交叉连接 TX/RX，并按数据长度和实时性选择阻塞、中断、DMA 或空闲中断接收。Stellaris-Nexus 的 USART1 引脚见通信接口。

串口通信概念 ​

UART（通用异步收发器）介绍 ​

UART（Universal Asynchronous Receiver/Transmitter），即通用异步收发器，是一种广泛用于嵌入式系统的串行通信协议，用于实现设备间的异步数据传输。

USART（通用同步 / 异步收发器）介绍 ​

USART（Universal Synchronous/Asynchronous Receiver/Transmitter），即通用同步 / 异步收发器，它在 UART 的基础上增加了同步通信能力，是一种更灵活的串行通信接口。

同步异步概念 ​

  • 同步：你和对方踩着同一个节奏做事，必须等对方回应 / 配合，才能继续；

  • 异步：你和对方各干各的，不用等对方，对方弄完了会告诉你，你接着处理就行。

看看我们的板子 ​

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Usart/Uart这类串口能干什么 ​

USART/UART相当于单片机的语言系统，可以和其他模块进行对话。

它是单片机和外部设备之间的 沟通桥梁，电脑、显示屏、传感器，还是蓝牙、WiFi 模块它都可传递数据、下达指令；就像人说话靠嘴巴和耳朵，单片机的 “说” 和 “听”，大多由 USART/UART 来实现。

而且它的沟通方式简单直接，只需要几根信号线就能建立连接，不管是让单片机把采集到的温湿度数据传给电脑并显示，还是让我们通过串口给单片机发指令控制电机转动，甚至是多个单片机之间互相协调工作，USART/UART 都能完成这些数据交互，是单片机开发中最常用、最基础的通信接口之一。

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比特率和波特率 ​

•比特率，bit/s，bps

•    每秒钟传输的二进制码元的数量

•波特率，symbol/s

•    每秒钟传输的有效信息码元的数量

•举例

•    UART通信中，比特率等于波特率，因为有效信息码元直接对应二进制的0/1

码元

•    十六进制字符编码中，如果一秒传输1000个字符，每个字符对应一种唯一的电平信号，那么波特率就是1000 symbol/s；由于一个十六进制字符要用四位二进制编码表示，那么它的比特率就是4000bit/s

1 个十六进制字符 = 1 个 字符（symbol），1 个十六进制字符，必须用 4 位二进制数（4 个 bit）来表示2⁴=16

比特率 = 每秒传输的字符数 × 每个字符；对应的bit数 4000 bit/s = 1000 symbol/s × 4 bit/个

常用的波特率值包括 300、1200、2400、4800、9600、19200、38400、57600 和 115200 bps 等，这些波特率适用于不同的通信场景

UART串口异步通讯长什么样 ​

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UART接线 ​

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从图中可以看到，两个 MCU之间通过 UART 通信时，需要采用交叉连接的方式：

接线 ​

TXD（发送端）：连接到对方的 RXD（接收端），确保发送的数据能被对方正确接收。

RXD（接收端）：连接到对方的 TXD（发送端），确保发送的数据能被对方正确接收。

GND（地线）：共地以保证双方的电平参考一致。

通信原理 ​

UART异步通信协议意味着通信双方通过预先约定的波特率、数据位、校验位和停止位等参数来同步数据。

设备 A ↔ 设备 B：数据可以双向传输。设备 A 通过 TXD 发送数据，设备 B 通过 RXD 接收；反之亦然。

数据帧格式 ​

起始位（Start Bit）：

由一个逻辑0的低电平信号开始，用于通知接收方 “数据即将到来”，并同步双方的时钟。

数据位（Data Bits）：

紧随起始位之后，通常为 8 位（也可以是 5、6、7 位），代表要传输的实际数据内容。

校验位（Parity Bit）：

可选位，用于进行简单的错误检测（如奇校验、偶校验），确保数据传输的完整性。

停止位（Stop Bit）：

由一个或多个逻辑1的高电平信号结束，标志着一帧数据的传输完成，为下一帧数据做准备。

USART 串口同步/异步通讯长什么样 ​

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从图中可以看到，两个 MCU之间通过 USART 进行同步通信时，除了 TXD（发送）、RXD（接收）和 GND（地线）之外，还额外增加了一条 CK（时钟）线。

TXD ↔ RXD：实现数据的双向传输，发送端连接到对方的接收端。

CK ↔ CK：共享同一时钟信号，用于同步双方的数据传输节奏。

GND：共地，保证电平参考一致。

通信原理 ​

USART 支持两种通信模式：

异步模式（UART）：不需要共享时钟，通过预先约定的波特率来同步数据。

同步模式（USART）：由一方提供时钟信号（CK，有时候写做CLK），另一方在时钟的驱动下同步接收或发送数据。

从图中可以看出，在同步模式下：

通讯数据每一位的时间宽度是由 CK （CLK）时钟频率固定的。每一个时钟脉冲对应一位数据的传输，确保了收发双方严格同步。

数据传输过程 ​

在同步模式下，数据传输与时钟信号相互配合。

  1. 时钟驱动：CK 信号提供统一的时序，每一个时钟边沿（如上升沿或下降沿）触发一次数据采样或发送。

  2. 逐位传输：如图所示，数据位 0 到位 7 依次在时钟的控制下通过 TXD 线传输，每一位数据都与一个时钟周期对应。

  3. 同步采样：接收方（MCU2）根据 CK 时钟的节拍，在正确的时间点对 RXD 线上的信号进行采样，从而准确还原出每一位数据。

UART/USART工作原理 ​

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数据帧格式 ​

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1. 空闲状态 ​

在没有数据传输时，通信线路保持高电平（逻辑 1），这是 UART 的默认空闲状态，用于标识当前没有数据传输。

2. 起始位（Start Bit） ​

占 1 位，固定为低电平（逻辑 0）。

作用：通知接收方 “数据帧即将开始”，并触发接收方开始同步采样后续数据。

3. 数据位（Data Bits） ​

长度为 8~9 位（常见为 8 位），是实际要传输的有效数据内容。

传输顺序是低位在前，高位在后（例如先传位 0，再传位 1，直到最后一位）。

图中标注的 “5 (6)、6 (7)、7 (8)” 表示：当数据位为 8 位时，第 8 位也可作为校验位使用。

4. 校验位（Parity Bit，可选） ​

这是一个可选位，用于简单的错误检测。

奇校验：使数据位 + 校验位中 “1” 的总数为奇数。

偶校验：使数据位 + 校验位中 “1” 的总数为偶数。

接收方会校验这个位，如果不符合约定规则，就判定数据传输出错。

5. 停止位（Stop Bit） ​

长度可选：0.5、1、1.5 或 2 位，常见为 1 位，固定为高电平（逻辑 1）。

作用：标志一帧数据传输结束，同时为下一帧数据的起始位做准备，确保帧与帧之间有明确的间隔。

特别说明：USART 和 UART 在 异步通信模式 下的数据帧格式一致；USART 独有的同步模式会额外使用时钟信号，时序与异步模式不同。

UART/USART 的一帧数据，本质上是一个 起始位 + 数据位 + 校验位（可选） + 停止位 的组合。收发双方必须预先约定好：

  1. 波特率（传输速率）

  2. 数据位长度

  3. 是否使用校验位及校验方式

  4. 停止位长度

只有这些参数完全一致，才能正确解析对方发来的数据。

CubeMX配置 ​

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代码讲解 ​

Uart ​

先声明俩变量用于存储UART的收发数据，后面的代码编写也仅需在main.c中修改

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c
uint8_t RxData[10];
uint8_t TxData[10]= "hello";

阻塞式 ​

可实现UART简单的发送定长数据，可接收一定长度以内的数据。发一条然后收一次，每个任务不超过1000ms，未果就继续往下进行

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中断式 ​

Cube使能UART中断，实现UART随意收发定长数据。主函数只负责发送，中断回调函数负责接收，需要额外注意这里的接收函数位置，遵循先开启一轮接收然后再处理的逻辑

返回CubeMx配置代码 ​

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空闲中断式 ​

可实现UART随意发送定长数据，可接收一定长度以内的数据。主函数只负责发送，中断回调函数负责接收

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DMA中断 ​

此模式是在中断式基础上修改的。DMA能独立完成外设（如 UART）与内存之间的数据传输，无需 CPU 逐字节干预。

DMA不生产数据，是数据的搬运工。搬运时，内存需要自增地址，否则一段话会搬运到同一个地方去造成覆盖

DMA中断通信 ​

•直接内存访问（Direct Memory Access，DMA），不产生数据，只是数据的搬运工

•发送：MCU把指定要发送的数据的起始地址与长度告诉DMA，DMA帮忙搬运给外设，发完了告诉MCU

•接收：MCU告诉DMA去把外设发给单片机的消息搬到指定位置。当然要告诉DMA接收方式，比如说等MCU通知（代码主动调用）搬运还是一直搬运（直接配置不让DMA停下来）等等。搬运完成会触发相应的中断事件

FIFO （First In First Out 先进先出） ​

当接收信息太多时，DMA可能搬不过来。FIFO队列可以先把来不及搬运的内容缓存下来排队，一个个让DMA搬运，但代价是让信息的时效性降低。代价比较:信息丢失 vs 信息时效性差，根据这个来决定是否使用FIFO以及FIFO的长度。长度越长，缓存能力越强，但时效性损失越大

DMA可实现UART随意收发定长数据。主函数只负责发送，中断回调函数负责接收。

中断模式如何修改为DMA中断模式 ​

中断发送 → DMA发送

HAL_UART_Transmit_IT(&huart1, TxData, 5);  // 原中断函数

HAL_UART_Transmit_DMA(&huart1, TxData, 5);    // DMA版本

中断接收 → DMA接收

HAL_UART_Receive_IT(&huart1, RxData, 5);   // 原中断函数

HAL_UART_Receive_DMA(&huart1, RxData, 5);     // DMA版本

在低运算量、低通信负载的代码中，很难体会到DMA中断和普通中断的差异

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DMA空闲中断 ​

实现UART随意发送定长数据，可接收一定长度以内的数据

主函数只负责发送，中断回调函数负责接收

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将所有的开启一轮DMA中断接收函数HAL_UART_Receive_DMA(&huart1, RxData, 5);换成HAL_UARTEx_ReceiveToIdle_DMA(&huart1, RxData, 5);

需要额外注意这里的接收中断回调函数名称需改动，与2.3一致

void HAL_UARTEx_RxEventCallback(UART_HandleTypeDef *huart, uint16_t Size){}

各个模式总结 附代码 ​

阻塞式 ​

  • HAL_UART_Transmit()/HAL_UART_Receive() 这类函数会卡CPU，直到数据发完 / 收完，或超时才执行下一行代码。
c
HAL_UART_Transmit(&huart1, TxData, 5, 1000);
HAL_UART_Receive(&huart1, RxData, 5, 1000);

中断式 ​

  • CPU 平时干自己的活（如控制 LED、读传感器），串口收 / 发完固定长度的数据后，触发中断，CPU 才去处理串口数据。

  • 必须提前约定收多少字节（如 5 字节），少了 or 多了都可能丢数据，只收固定长度的数据

c
void HAL_UART_RxCpltCallback(UART_HandleTypeDef *huart){}
HAL_UART_Transmit_IT(&huart1, TxData, 5);
HAL_UART_Receive_IT(&huart1, RxData, 5);
c
//回调函数【中断】
void HAL_UART_RxCpltCallback (UART_HandleTypeDef *huart)
{
  //请选择你的中断
  if(huart == &huart1)
  {
    //接收数据
    HAL_UART_Receive_IT(&huart1,RxData,5);  //DMA中断式
    if(RxData[0] =='1')
    {
      HAL_GPIO_TogglePin(GPIOC,GPIO_PIN_13);
      //重置
      RxData[0]=0;
    }
  }
}

空闲中断 ​

  • CPU 平时干活，串口接收数据时不打扰，只有串口线路 “没数据了（空闲）”，才触发中断，CPU 再去取所有收到的数据。

  • 能收任意长度数据（比如传 3 字节、8 字节都可以），解决了中断式 “定长” 的问题。

c
void HAL_UARTEx_RxEventCallback(UART_HandleTypeDef *huart, uint16_t Size){}
HAL_UART_Transmit_IT(&huart1, TxData, 5);
HAL_UARTEx_ReceiveToIdle_IT(&huart1, RxData, 5);
c
//回调函数【空闲中断】
void HAL_UARTEx_RxEventCallback(UART_HandleTypeDef *huart, uint16_t Size)
{
  //请选择你的中断
  if(huart == &huart1)
  {
    //接收数据
    HAL_UARTEx_ReceiveToIdle_IT(&huart1,RxData,5);//空闲中断

    if(RxData[0] =='1')
    {
      HAL_GPIO_TogglePin(GPIOC,GPIO_PIN_13);
      //重置
      RxData[0]=0;
    }
  }
}

DMA ​

  • CPU 不用自己搬串口数据，交给 DMA “搬运工”：DMA 从串口把数据搬到内存，或从内存搬到串口，搬完才触发中断通知 CPU。

  • 搬运时要让内存地址 “往后挪”（自增），不然所有数据都堆在同一个位置，覆盖成最后一个；

  • 数据太多时，FIFO 相当于 将数据存入缓冲区 ，先存着再慢慢搬，代价是数据会晚一点到（时效性降）

c
void HAL_UART_RxCpltCallback(UART_HandleTypeDef *huart){}
HAL_UART_Transmit_DMA(&huart1, TxData, 5);
HAL_UART_Receive_DMA(&huart1, RxData, 5);
c
//回调函数【中断】
void HAL_UART_RxCpltCallback (UART_HandleTypeDef *huart)
{
  //请选择你的中断
  if(huart == &huart1)
  {
    //接收数据
    HAL_UART_Receive_DMA(&huart1,RxData,5);  //DMA中断式
    if(RxData[0] =='1')
    {
      HAL_GPIO_TogglePin(GPIOC,GPIO_PIN_13);
      //重置
      RxData[0]=0;
    }
  }
}

DMA空闲中断 ​

DMA 空闲中断是把DMA 的 “数据搬运” 能力和空闲中断的 “识别不定长数据” 能力结合起来的通信模式，你可以把它理解成：给 DMA搬运工加了一个 智能数据收发功能，既解放 CPU，又能灵活接收不定长数据。

空闲中断的作用：不再以固定长度作为搬运结束的信号，而是以 串口线路空闲（没有新数据）作为结束信号  哪怕你只传了 2 个字节（小于预设的 5 个），只要串口空闲，就停止搬运并通知 CPU

c
void HAL_UARTEx_RxEventCallback(UART_HandleTypeDef *huart, uint16_t Size){}
HAL_UART_Transmit_DMA(&huart1, TxData, 5);
HAL_UARTEx_ReceiveToIdle_DMA(&huart1, RxData, 5);
c
//回调函数【空闲中断】
void HAL_UARTEx_RxEventCallback(UART_HandleTypeDef *huart, uint16_t Size)
{
  //请选择你的中断
  if(huart == &huart1)
  {
    //接收数据
    HAL_UARTEx_ReceiveToIdle_DMA(&huart1,RxData,5);//DMA空闲中断
    if(RxData[0] =='1')
    {
      HAL_GPIO_TogglePin(GPIOC,GPIO_PIN_13);
      //重置
      RxData[0]=0;
    }
  }
}

Tuxmonkey学长给大家的拜年词 ​

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