企业官网建设流程全解析

目录

• 一、UART 基础概念
  • UART 核心特点
  • USART 和 UART 的区别
  • 并行传输与串行传输
  • 异步通信与同步通信
  • 单工、半双工与全双工
• 二、USART 在 MCU 中的应用
  • USART 复用 GPIO
  • 波特率与比特率
• 三、通信参数与帧格式
  • 帧格式
• 四、USART 内部结构
  • 发送
  • 接收
  • 寄存器与地址
  • TDR 与 RDR
• 五、发送数据过程详细介绍
• 六、接收数据详细介绍

一、UART 基础概念

UART 是什么

UART（Universal Asynchronous Receiver/Transmitter，通用异步收发器）是一种硬件电路，用于设备之间的串行通信。所谓串行通信，是指数据按位顺序逐次传输——一次传输 1 位数据，可以根据需求连续发送多次。

UART 核心特点

• 串行通信：数据逐位传输，节省引脚资源。
• 异步通信：无需共享时钟信号，双方按约定波特率收发。
• 1 对 1 通信：点对点连接，结构简单。
• 全双工通信：收发可同时进行，互不干扰。

三个关键引脚

• TX：发送数据（Transmit）
• RX：接收数据（Receive）
• GND：地线，提供共同参考电平

USART 和 UART 的区别

UART 和 USART 是嵌入式串口通信中经常被混用的两个词，但它们其实有明确的区别。简单说：

USART = UART + 同步通信功能

• UART 只能异步通信；
• USART 既能异步，也能同步。

由于同步通信在实际项目中用得较少，本文着重介绍 UART。

并行传输与串行传输

并行传输：多位数据同时传输，通常配合一个时钟信号。

串行传输：数据逐位顺序传输。串行方式在实际应用中更常用，因为它稳定、线少、干扰少、简洁高效——没有其他线的干扰，成本低，速率也高。

异步通信与同步通信

同步通信

• 主机产生时钟信号（SCK/CK）；
• 数据在时钟的某个边沿（上升沿或下降沿）变化；
• 接收方在另一个边沿采样；
• 数据可以连续不断地传输，不需要起始/停止位；
• 如果数据块结束，可以拉高片选（CS）或发送结束标志。

异步通信

• 总线空闲时保持高电平；
• 发送方拉低总线一个位时间，作为起始位；
• 接收方检测到下降沿，知道一帧开始了；
• 双方按约定的波特率，在每位中间采样；
• 停止位（高电平）标志一帧结束；
• 帧与帧之间可以有任意长的空闲时间。

单工、半双工与全双工

单工（Simplex）

数据只能单向传输，A 只能发给 B，B 不能发给 A。通信双方角色固定：一个永远发，一个永远收。只需要一条数据线（或一对差分线）。

典型例子：广播、电视、遥控器、打印机。

优点：简单、成本低；缺点：无法反向通信。

半双工（Half-Duplex）

数据可以双向传输，但不能同时进行。同一时刻只能一方发、另一方收，需要切换方向。通常只需要一条数据线（或一对差分线）共享。

典型例子：对讲机、RS-485、I2C、早期以太网（集线器）。

优点：线少、成本低；缺点：切换方向有延迟，效率低于全双工。

全双工（Full-Duplex）

数据可以同时双向传输。收发独立，互不干扰，不需要切换方向。需要两条独立的数据线（或两对差分线）。

USART 在 MCU 中的角色

二、USART 在 MCU 中的应用

USART 是 MCU 上的片上外设，STM32 系列通常集成多个 USART 外设（例如五个）。

也就是说，通信的本质是MCU 内部的 USART 外设与外部串口设备之间进行数据交换。

USART 复用 GPIO

STM32 的引脚数量有限，但外设功能很多。如果每个外设都配专用引脚，芯片引脚会不够用。

因此，STM32 采用复用（Alternate Function, AF）机制：

• 一个 GPIO 引脚可以有多种功能；
• 默认是普通 GPIO（输入/输出）；
• 通过配置，可以把它"切换"成某个外设的功能引脚。

波特率与比特率

三、通信参数与帧格式

比特率是每秒钟传送的比特位的个数，也叫做传信率，侧重点在传递有效信息的速度上，单位是 bit/s。

波特率表示每秒传输的符号数。一个符号可以携带 1 个比特，也可以携带多个比特。

• 如果一个符号 = 1 个比特 → 波特率 = 比特率；
• 如果一个符号 = N 个比特 → 比特率 = 波特率 × N。

在研究传输速度时，通常以波特率为主。在比特率 = 波特率的场景中，不考虑帧格式：1 秒内如果全部都是低电平，波特率是 10，那么就是传递 10 个 0；但如果波特率是 20，就会被理解成 20 个 0。

波特率决定了每一位（每个符号）在时间轴上占多宽。图中波特率 = 10，意思是 1 秒传 10 位。

那每一位占多长时间？

1 / 10 秒 = 0.1 秒 = 100 毫秒

所以：

• 第 1 个 0，持续 100 毫秒；
• 第 2 个 0，持续 100 毫秒；
• ……
• 第 10 个 0，持续 100 毫秒。

STM32 中，USART 一般的常用波特率是 9600 Bd 或者 115200 Bd。通信双方发送和接收数据快慢的问题，可以由通信双方设置相同的波特率来解决。

帧格式

对应接收方，它怎么知道数据开始发了？它怎么知道有多少个数据？它怎么知道数据什么时候传递完毕了？这就需要通信双方继续约定通信格式了，这个格式我们叫做——帧格式。

帧格式是人约定出来的，相当于人让通信设备使用相同的规则通信。这个约定的通信格式，也可以叫做协议。不过，在单片机通信领域，更喜欢叫做帧格式。

下图是常见的通信帧格式：

空闲状态

在没有数据传输时，串口线路应保持逻辑高电平（其实叫做逻辑 1），也就是空闲状态。

起始位

起始位的下降沿（1→0）是从空闲状态进入新帧的标志。起始位（逻辑低电平 0）持续 1 个比特位时间（具体长度由波特率决定），起始位用于告知接收端一个新数据帧的开始，这是接收端进行比特位同步的关键信号！

数据位（Data Bits）

STM32 中，数据位个数通常可选 8 位或者 9 位，最常见的是 8 位（一个字节），承载实际要传输的信息内容，逻辑高（1）或逻辑低（0）代表数据位本身。

USART 中，数据 LSB（Least Significant Bit：最低有效位）最先发送，然后是次低位，依此类推，最后发送 MSB（Most Significant Bit：最高有效位）。

UART 规定：低位先发（LSB first）。也就是说，发送一个字节时，先从 D0 开始发，最后才发 D7。

校验位

• 奇校验（Odd）：设置校验位使得数据位和校验位中 1 的总个数为奇数；
• 偶校验（Even）：设置校验位使得数据位和校验位中 1 的总个数为偶数。

0x55 的二进制是 0101 0101。如果用偶校验，要求总 1 数为偶数，现在已经是 4 个（偶数），所以校验位填 0：

如果用奇校验，要求总 1 数为奇数，现在 4 个（偶数），所以校验位填 1：

停止位

停止位表示帧的结束，固定为逻辑高电平（1），可以配置为 1 位、会回到空闲状态。

起始位需要拉低电平，表征起始位。tx 输出的电平就取决于当前帧的最后一位，如果当前帧传递完毕，没有结束位，即没有强制拉高电平，此时这个高低电平都有可能。那么传递下一帧，它的起始位就不能 100% 有一个拉低的动作，会影响下一帧的正确开始。

四、USART 内部结构

下图是 USART 的整体框图：

可见这个 USART 的功能非常复杂。初学阶段抓住重点学习即可，核心就是 USART 的复用 GPIO 功能，需要 CPU 控制 USART 的寄存器，如下图所示：

下图是MCU与USART的宏观视角

单独拿出 APBx 和 USART 并简化原理图，来介绍 USART 的功能：

发送

发送数据寄存器（TDR - Transmit Data Register）

谁写它：CPU 或 DMA（通过写操作，即图中的 PWDATA）。

作用：当你要发送数据时，CPU 把要发的字节（比如 0x55）写入 TDR。它相当于一个"暂存区"，等待被搬运到下一个环节。

特点：CPU 写完就可以干别的事，不用一直等着。

发送移位寄存器（Transmit Shift Register）

谁写它：自动从 TDR 把数据搬过来。

作用：一旦 TDR 有数据，硬件自动把它加载到移位寄存器。然后，它按波特率的节奏，一位一位（LSB first）地把数据推出去，加上起始位、校验位、停止位，变成完整的帧。

特点：发完一帧，如果 TDR 里又有新数据，它会自动加载下一帧，不用 CPU 插手。

接收

接收移位寄存器（Receive Shift Register）

谁写它：外部信号从 RX 引脚一位一位进来。

作用：接收方检测到起始位后，按波特率的节奏，一位一位地把数据收进来。每收满 8 位（加校验位），就自动把这一字节搬运到 RDR。同时检查停止位、校验位，产生错误标志（帧错误、校验错误等）。

接收数据寄存器（RDR - Receive Data Register）

谁读它：CPU 或 DMA（通过读操作，即图中的 PRDATA）。

作用：移位寄存器凑满一字节后，自动把它放到 RDR。同时置位"接收数据非空"标志（RXNE），通知 CPU 来取。CPU 读取 RDR，就把数据取走了。

寄存器与地址

以 USART1 为例，STM32F103ZET6 的 USART1 挂载在 APB2 总线上，其寄存器组从基地址 0x40013800 开始，共包含 7 个寄存器：

STM32F103ZET6 的 5 个串口（USART1、USART2、USART3、UART4、UART5）基地址和地址范围如下：

TDR 与 RDR

在物理上，USART_DR 寄存器有两个：一个是 TDR，一个是 RDR，分别让用户来发送和接收数据。

这两个寄存器被映射到了同一个物理地址，官方没有披露具体是怎么做到访问同一个地址、从而访问不同寄存器的。我们可以推测是通过操作类型（rw）来区分要访问哪一个寄存器。

• PWDATA（Peripheral Write Data）：写数据线。
• PRDATA（Peripheral Read Data）：读数据线。

在 APB 总线协议中，读写数据线在物理上是分开的。同时，总线还会发出一个读写控制信号（PWRITE）。

五、发送数据过程详细介绍

这里还要介绍下状态寄存器。要发送数据，首次 CPU 向 TDR 写入数据，TDR 将数据传递给发送移位寄存器，这就引出了状态寄存器。如果我要发送多个数据帧，第二个数据帧什么时候写入 TDR 是个问题；第二个数据帧写入 TDR 之后，什么时候写入发送移位寄存器也是个问题，这些都由状态寄存器决定。

TXE：发送数据寄存器空（Transmit data register empty）

当 TDR 寄存器中的数据被硬件转移到移位寄存器的时候，该位被硬件置位。如果 USART_CR1 寄存器中的 TXEIE 为 1，则产生中断。对 USART_DR 的写操作，将该位清零。

• 0：数据还没有被转移到移位寄存器；
• 1：数据已经被转移到移位寄存器。

TC：发送完成（Transmission complete）

当包含有数据的一帧发送完成后，并且 TXE=1 时，由硬件将该位置 1。如果 USART_CR1 中的 TCIE 为 1，则产生中断。由软件序列清除该位（先读 USART_SR，然后写入 USART_DR）。TC 位也可以通过写入 0 来清除，只有在多缓存通讯中才推荐这种清除程序。

• 0：发送还未完成；
• 1：发送完成。

阻塞模式发送

"阻塞"就是 CPU 卡在 while 循环里出不来。

CPU 想发一个字节，但 TDR 还没空（TXE=0），硬件忙不过来。CPU 就只能在循环里一直问："TXE 变成 1 了吗？变了吗？"直到 TXE=1，CPU 才写数据，然后继续干别的事。

这个"一直问"的过程，就是阻塞。

六、接收数据详细介绍

同理，接收数据也需要状态寄存器来显示状态。

RXNE：读数据寄存器非空（Read data register not empty）

当 RDR 移位寄存器中的数据被转移到 USART_DR 寄存器中，该位被硬件置位。如果 USART_CR1 寄存器中的 RXNEIE 为 1，则产生中断。对 USART_DR 的读操作可以将该位清零。RXNE 位也可以通过写入 0 来清除，只有在多缓存通讯中才推荐这种清除程序。

• 0：数据没有收到；
• 1：收到数据，可以读出。

阻塞式接收数据

"阻塞"就是 CPU 卡在 while 循环里出不来。

CPU 想收一个字节，但 RDR 还没收到数据（RXNE=0），硬件还没收到货。CPU 就只能在循环里一直问："RXNE 变成 1 了吗？变了吗？"直到 RXNE=1，CPU 才读数据，然后继续干别的事。