8.STM32 串口通信程序编写详解：寄存器与 HAL 库实战

摘要：本文以 STM32F103 系列和 USART1 为例，系统讲解串口通信的程序编写方法。内容涵盖寄存器方式与 HAL 库方式两种实现路径，包括单字符与指定长度数据的收发、printf 与 scanf 的串口重定向，以及通过串口指令控制 LED 的完整实验。文章同时对比了查询方式与中断方式的适用场景，并总结了收发配置一致、TX-RX 交叉接线等关键实践要点。

程序编写

本章以 STM32F103 系列、USART1 为例，介绍串口通信的程序编写方法。默认配置为：波特率 115200、8 位数据位、无校验、1 位停止位（8N1）。USART1 的 TX 引脚为 PA9，RX 引脚为 PA10。

注意：安装串口调试助手和 CH340

1、寄存器方式单字符收发

• 寄存器方式单字节发送

• 放到 while 上面验证没有问题

• 多数据发送验证

按照之前的程序会乱，所以做了优化

void UartSendBit(uint8_t ch)
{
        while(!(USART1->SR & (1<<7))){}
        USART1->DR=ch;
}

（1）GPIO 和 USART 初始化

void USART1_Init(void)
{
    // 1. 使能 GPIOA 和 USART1 时钟
    RCC->APB2ENR |= RCC_APB2ENR_IOPAEN;   // 使能 GPIOA 时钟
    RCC->APB2ENR |= RCC_APB2ENR_USART1EN; // 使能 USART1 时钟
// 2. 配置 PA9(TX) 为复用推挽输出，50MHz
GPIOA->CRH &= ~(0xF << 4);  // 清除 PA9 原有配置
GPIOA->CRH |=  (0xB << 4);  // PA9: 复用推挽输出, 50MHz
// 3. 配置 PA10(RX) 为浮空输入
GPIOA->CRH &= ~(0xF << 8);  // 清除 PA10 原有配置
GPIOA->CRH |=  (0x4 << 8);  // PA10: 浮空输入
// 4. 设置波特率 115200 (PCLK2=72MHz)
// USARTDIV = 72000000 / (16 * 115200) = 39.0625
// DIV_Mantissa = 39, DIV_Fraction = 1
USART1->BRR = 0x271;
// 5. 配置 CR1: 8位数据, 无校验, 使能发送和接收
USART1->CR1 = 0;              // 清零
USART1->CR1 |= USART_CR1_TE;  // 使能发送
USART1->CR1 |= USART_CR1_RE;  // 使能接收
USART1->CR1 |= USART_CR1_UE;  // 使能 USART1
}

（2）指定长度数据接收

除了单字符接收，查询方式下还可以实现接收指定长度的数据块，或接收以特定结束符（如换行符 '\n'）结尾的字符串。

/**
 * @brief  接收指定长度的数据
 * @param  buf: 接收缓冲区指针
 * @param  len: 要接收的字节数
 * @retval 实际接收到的字节数
 */
uint16_t USART1_ReceiveData(uint8_t *buf, uint16_t len)
{
    uint16_t i = 0;
    while (i < len)
    {
        // 等待接收数据寄存器非空
        while (!(USART1->SR & USART_SR_RXNE));
        buf[i++] = (uint8_t)(USART1->DR);
    }
    return i;
}

/**
 * @brief  接收字符串，直到遇到结束符或缓冲区满
 * @param  buf: 接收缓冲区指针
 * @param  max_len: 缓冲区最大长度
 * @param  terminator: 结束符（如 '\n' 或 '\r'）
 * @retval 实际接收到的字符串长度（不含结束符）
 */
uint16_t USART1_ReceiveString(char *buf, uint16_t max_len, char terminator)
{
    uint16_t i = 0;
    uint8_t ch;
if (max_len == 0) return 0;
while (i < max_len - 1)  // 预留1个字节给字符串结束符 '\0'
{
// 等待接收数据寄存器非空
while (!(USART1->SR & USART_SR_RXNE));
ch = (uint8_t)(USART1->DR);
if (ch == (uint8_t)terminator)
{
    break;  // 遇到结束符，停止接收
}
buf[i++] = (char)ch;
}
buf[i] = '\0';  // 添加字符串结束符
return i;
}

使用示例：

char rxBuf[50];
// 接收直到换行符 '\n'，最多接收49个字符
uint16_t len = USART1_ReceiveString(rxBuf, sizeof(rxBuf), '\n');
// 将接收到的字符串回发
USART1_SendString("Received: ");
USART1_SendString(rxBuf);
USART1_SendString("\r\n");

查询方式接收的特点是阻塞等待：在数据未到达时，CPU 会停在 while 循环里等待，无法执行其他任务。因此查询方式适合简单的、对实时性要求不高的场景。如果需要在接收的同时处理其他任务，就需要使用中断方式（后续阶段讲解）。

2、HAL 方式串口收发

（1）HAL 库初始化

使用 STM32CubeMX 配置 USART1 后，生成的初始化代码如下（或手动编写）：

UART_HandleTypeDef huart1;
void MX_USART1_UART_Init(void)
{
huart1.Instance = USART1;
huart1.Init.BaudRate = 115200;          // 波特率
huart1.Init.WordLength = UART_WORDLENGTH_8B;  // 8位数据
huart1.Init.StopBits = UART_STOPBITS_1;        // 1位停止
huart1.Init.Parity = UART_PARITY_NONE;         // 无校验
huart1.Init.Mode = UART_MODE_TX_RX;             // 收发模式
huart1.Init.HwFlowCtl = UART_HWCONTROL_NONE;   // 无硬件流控
huart1.Init.OverSampling = UART_OVERSAMPLING_16; // 16倍过采样
if (HAL_UART_Init(&huart1) != HAL_OK)
{
    Error_Handler();
}
}

（2）HAL 库阻塞式发送

// 发送字符串
uint8_t txData[] = "Hello, UART!\r\n";
HAL_UART_Transmit(&huart1, txData, sizeof(txData)-1, HAL_MAX_DELAY);
// 发送单字节
uint8_t byte = 'A';
HAL_UART_Transmit(&huart1, &byte, 1, 100); // 超时100ms

（3）HAL 库阻塞式接收

uint8_t rxData[20];
// 阻塞接收指定长度数据，超时 5000ms
HAL_StatusTypeDef status = HAL_UART_Receive(&huart1, rxData, 10, 5000);
if (status == HAL_OK)
{
    // 接收成功，处理 rxData
}

（4）串口重定向（重新定义数据传输的方向）

printf 为格式化输出函数

默认输出到终端

需求：使用 printf 输出数据到串口

__weak 是什么

__weak 是 弱定义（weak definition） 修饰符，用于标记一个函数或变量为弱符号。在 STM32 HAL 库中被大量使用。

核心作用：允许被用户重写

• 被 __weak 修饰的函数提供一个默认实现

• 用户可以在自己的代码中定义一个同名函数（不带 __weak，即强符号）

• 链接时，强符号会自动覆盖弱符号，从而调用用户自己的实现

串口重定向（注意在魔术棒工具里勾选微型 C 库）

#include <stdio.h>
int fputc(int ch,FILE *f)
{
    while(!(USART1->SR & (1<<7))){}
    USART1->DR=ch;
    return ch;
}

#include "gpio.h"和#include <stdio.h>区别

C 语言 #include 预处理指令的两种头文件包含方式，核心区别在于查找路径的顺序不同。

写法	查找顺序	典型用途
#include "gpio.h"	先在当前源文件所在目录查找，找不到再去系统标准库目录查找	项目自己的头文件
#include <stdio.h>	直接在系统标准库目录（编译器指定的 include 路径）中查找	C 标准库 / 第三方库头文件

结合 STM32 项目理解

• #include "gpio.h"：gpio.h 是 STM32CubeMX 生成的、属于你自己项目的头文件（里面是 GPIO 初始化函数声明，如 MX_GPIO_Init()），和你的 .c 源文件在同一个工程目录下，所以用双引号。

• #include <stdio.h>：stdio.h 是 C 标准库提供的头文件（里面声明了 printf、scanf 等标准输入输出函数），由编译器/工具链自带，放在系统 include 目录中，不在你的项目文件夹里，所以用尖括号。

补充说明

1. 双引号是"兜底"的：用 "gpio.h" 时，如果当前目录找不到，编译器最终也会去系统目录找，所以理论上标准库头文件也能用双引号包含——但不推荐，因为这会降低查找效率，也不符合编码规范。

2. 尖括号不会找当前目录：用 <stdio.h> 时，编译器不会去当前源文件目录查找，直接走系统路径。

3. 编码规范约定俗成：

   1. 自己写的 / 项目内的头文件 → 双引号 "xxx.h"

   2. 标准库 / 第三方库头文件 → 尖括号 <xxx.h>

简单记：双引号找"自家的"，尖括号找"公家的"。

scanf 重定向

int fgetc(FILE *f)
{
        uint8_t ch;
        while(!(USART1->SR & (1<<5))){}
        ch=USART1->DR;
        return ch;
}

重定向之后注意在串口输入数据后添加‘空格’

（5）常用 HAL 库函数一览

函数	功能
HAL_UART_Init()	初始化 UART 外设
HAL_UART_Transmit()	阻塞式发送数据
HAL_UART_Receive()	阻塞式接收数据
HAL_UART_Transmit_IT()	中断方式发送数据
HAL_UART_Receive_IT()	中断方式接收数据
HAL_UART_Transmit_DMA()	DMA 方式发送数据
HAL_UART_Receive_DMA()	DMA 方式接收数据
HAL_UART_RxCpltCallback()	接收完成回调函数
HAL_UART_TxCpltCallback()	发送完成回调函数

3、串口重定向

串口重定向是指将 C 标准库的 printf、scanf 等函数的输入输出重定向到串口，这样就可以像在 PC 上一样使用 printf 打印调试信息。

（1）printf 重定向（HAL 库方式）

#include <stdio.h>
// 重写 fputc 函数，将 printf 输出重定向到串口
int fputc(int ch, FILE *f)
{
HAL_UART_Transmit(&huart1, (uint8_t *)&ch, 1, HAL_MAX_DELAY);
return ch;
}
// 使用示例
printf("System Start...\r\n");
printf("ADC Value = %d\r\n", adcValue);
printf("Temperature = %.2f C\r\n", temp);

（2）printf 重定向（寄存器方式）

#include <stdio.h>
int fputc(int ch, FILE *f)
{
while (!(USART1->SR & USART_SR_TXE)); // 等待发送寄存器空
USART1->DR = (uint8_t)ch;               // 发送字符
return ch;
}

（3）scanf 重定向（可选）

int fgetc(FILE *f)
{
    while (!(USART1->SR & USART_SR_RXNE)); // 等待接收数据
    return (int)USART1->DR;                   // 读取并返回
}

注意事项：

1. 使用 printf 前需要在工程设置中勾选 "Use MicroLIB"（Keil）或启用 newlib-nano（GCC），否则程序会因堆栈不足而跑飞。

2. printf 中的浮点数输出（%f）在某些编译环境下需要额外配置，否则可能不显示。

3. 建议在输出字符串末尾加上 "\r\n"，这样串口助手显示时会换行且光标回到行首。

4、串口控制实验

本实验通过串口发送指令控制开发板上的 LED，并在串口返回状态信息。

（1）实验功能

• 发送字符 '1'：点亮 LED

• 发送字符 '0'：熄灭 LED

• 发送字符 's'：查询 LED 当前状态

• 其他字符：提示"未知指令"

（2）寄存器方式实现

#include "stm32f10x.h"
uint8_t ledState = 0; // LED 状态: 0=灭, 1=亮
void LED_Init(void)
{
RCC->APB2ENR |= RCC_APB2ENR_IOPCEN;  // 使能 GPIOC 时钟
GPIOC->CRH &= ~(0xF << 20);           // 清除 PC13 配置
GPIOC->CRH |=  (0x3 << 20);           // PC13: 推挽输出 50MHz
GPIOC->BSRR = GPIO_BSRR_BS13;          // LED 默认熄灭（高电平）
}
void LED_On(void)  { GPIOC->BRR  = GPIO_BRR_BR13;  ledState = 1; }
void LED_Off(void) { GPIOC->BSRR = GPIO_BSRR_BS13;  ledState = 0; }
int main(void)
{
uint8_t cmd;
LED_Init();
USART1_Init();  // 使用前面定义的初始化函数
USART1_SendString("=== UART Control LED ===\r\n");
USART1_SendString("Send '1' to turn ON, '0' to turn OFF, 's' for status\r\n");
while (1)
{
cmd = USART1_ReceiveByte();  // 阻塞接收一个字符
switch (cmd)
{
    case '1':
        LED_On();
        USART1_SendString("[OK] LED ON\r\n");
        break;
    case '0':
        LED_Off();
        USART1_SendString("[OK] LED OFF\r\n");
        break;
    case 's':
        if (ledState)
            USART1_SendString("[INFO] LED is ON\r\n");
        else
            USART1_SendString("[INFO] LED is OFF\r\n");
        break;
    default:
        USART1_SendString("[ERR] Unknown command\r\n");
        break;
}
}
}

（3）HAL 库中断方式实现

#include "main.h"
#include <stdio.h>
UART_HandleTypeDef huart1;
uint8_t rxByte;       // 接收单字节缓冲
uint8_t ledState = 0; // LED 状态
int fputc(int ch, FILE *f)
{
HAL_UART_Transmit(&huart1, (uint8_t *)&ch, 1, HAL_MAX_DELAY);
return ch;
}
void HAL_UART_RxCpltCallback(UART_HandleTypeDef *huart)
{
if (huart->Instance == USART1)
{
switch (rxByte)
{
case '1':
HAL_GPIO_WritePin(LED_GPIO_Port, LED_Pin, GPIO_PIN_RESET);
ledState = 1;
printf("[OK] LED ON\r\n");
break;
case '0':
HAL_GPIO_WritePin(LED_GPIO_Port, LED_Pin, GPIO_PIN_SET);
ledState = 0;
printf("[OK] LED OFF\r\n");
break;
case 's':
printf("[INFO] LED is %s\r\n", ledState ? "ON" : "OFF");
break;
default:
printf("[ERR] Unknown command: %c\r\n", rxByte);
break;
}
// 重新开启接收中断
HAL_UART_Receive_IT(&huart1, &rxByte, 1);
}
}
int main(void)
{
HAL_Init();
SystemClock_Config();
MX_GPIO_Init();
MX_USART1_UART_Init();
printf("=== UART Control LED (HAL IT) ===\r\n");
printf("Send '1'=ON, '0'=OFF, 's'=status\r\n");
// 开启接收中断
HAL_UART_Receive_IT(&amp;huart1, &amp;rxByte, 1);
while (1)
{
// 主循环可做其他任务，串口接收由中断处理
}
}

（4）实验步骤

1. 将开发板的 USART1（PA9-TX、PA10-RX）通过 USB 转串口模块连接到电脑。

2. 打开串口助手（如 XCOM、SecureCRT、Putty），设置波特率 115200、8 位数据位、无校验、1 位停止位。

3. 烧录程序并复位开发板，串口助手应显示欢迎信息。

4. 在串口助手中发送字符 '1'，观察 LED 点亮并收到 "[OK] LED ON"。

5. 发送字符 '0'，观察 LED 熄灭并收到 "[OK] LED OFF"。

6. 发送字符 's'，查看当前 LED 状态。

实验要点总结：

1. 串口通信的核心是收发双方配置一致（波特率、数据位、校验位、停止位）。

2. 接线遵循TX-RX 交叉、GND 共地原则。

3. 查询方式简单但占用 CPU；中断方式效率高，适合实际项目。

4. printf 重定向是嵌入式调试的重要手段，务必掌握。

5. 接收数据时注意处理溢出错误（ORE），避免数据丢失。