Classmate Wang's blog

深浅模式

USART ​

USART (Universal Synchronous/Asynchronous Receiver/Transmitter)，中文叫通用同步/异步收发器。

如果说 I2C 是“老师点名”，那 USART/UART 就是**“打电话”**。

它是最古老、最通用、也是你学习 STM32 接触的第一个通信协议（比如打印 Serial_Printf 就要用它）。

我们主要关注它最常用的模式：UART（异步模式）。以下是它的核心特质：

1. 核心硬件架构：交叉连接 (The Cross) ​

USART 不需要时钟线（在异步模式下），它主要依靠两根数据线：

  1. TX (Transmit)：发送端。嘴巴，用来说话。
  2. RX (Receive)：接收端。耳朵，用来听话。
  3. GND (Ground)：共地。这是新手最容易忽略的！两边的地线必须连在一起，才有统一的参考电压。

接线口诀：TX 接 RX，RX 接 TX。

  • STM32 的嘴巴 (TX) $\rightarrow$ 电脑的耳朵 (RX)
  • STM32 的耳朵 (RX) $\leftarrow$ 电脑的嘴巴 (TX)

2. 通信特点：全双工 & 异步 ​

  • 全双工 (Full Duplex)：
    • 因为 TX 和 RX 是分开的两根线，所以你可以 一边说话，一边听别人说话，互不干扰。（I2C 是半双工，同一时间只能一人说）。
  • 点对点 (Point-to-Point)：
    • 通常是一对一通信。不像 I2C 那样可以挂一串设备（虽然 RS485 可以挂多个，但那是电平转换后的事了）。
  • 异步 (Asynchronous)：
    • 没有时钟线！
    • 由于没有时钟线喊口号，通信双方必须 事先约定好语速。这个语速就是 波特率 (Baud Rate)。

3. 数据协议：封装成“帧” (Frame) ​

既然没有时钟线，接收方怎么知道数据什么时候开始、什么时候结束？

USART 把数据切成一段一段的，每一段叫一个数据帧。

标准格式（8N1）如下：

  1. 空闲状态 (Idle)：
    • 总线上没数据时，保持 高电平 (1)。
  2. 起始位 (Start Bit) —— “喂！”
    • 发送方把电平 拉低 (0) 保持 1 位的时间。
    • 接收方一旦检测到下降沿，立马打起精神：“有数据来了，准备计时！”
  3. 数据位 (Data Bits) —— “正文”
    • 通常是 8位 (1 Byte)。
    • 关键规则：低位先行 (LSB First)。 比如发数字 1 (二进制 0000 0001)，是先发那个 1，最后发 0。
  4. 校验位 (Parity Bit) —— “验货” (可选)
    • 用来检查数据有没有传错。
    • 奇校验 (Odd) / 偶校验 (Even) / 无校验 (None)。
    • 注：大部分场合为了效率，我们都选 None（无校验）。
  5. 停止位 (Stop Bit) —— “挂电话”
    • 发送方把电平 拉高 (1) 保持 0.5/1/1.5/2 位的时间。
    • 告诉接收方：“这一个字节发完了，你可以休息一下了。”

4. 核心命门：波特率 (Baud Rate) ​

这是 USART 最最重要参数。

常见的有 9600, 115200。

  • 115200 意味着：每秒钟传输 115200 个二进制位（bit）。
  • 换算一下，发送 1 个 bit 需要的时间是 $\frac{1}{115200} \approx 8.68$ 微秒。

灾难现场：

  • 如果你设置 STM32 发送波特率是 9600。
  • 但是串口助手设置接收波特率是 115200。
  • 结果： 电脑会按照 115200 的速度去采样，结果读回来的全是乱码。

比喻：

两个人发摩斯密码。

一个人按照“每秒敲一下”的速度敲。

另一个人按照“每秒记十下”的速度记。

记下来的肯定是一堆错误的点。

5. USART vs UART：有什么区别？ ​

在 STM32 手册里，你会看到有的外设叫 USART，有的叫 UART。

  • UART (Universal Asynchronous ...):
    • 只能做异步通信（没有时钟线）。
    • 这就是我们平时用的串口。
  • USART (Universal Synchronous/Asynchronous ...):
    • 多了个 S (Synchronous)。它可以配置出一根 CK (Clock) 时钟线。
    • 作用： 它可以像 SPI 一样同步通信。
    • 现状： 99% 的情况下，我们只用 USART 的异步功能（也就是把它当 UART 用）。

总结：STM32 串口配置“三板斧” ​

当你要写代码配置串口时，其实就是在配置这个结构体：

C

USART_InitTypeDef USART_InitStructure;

// 1. 约定语速
USART_InitStructure.USART_BaudRate = 9600; 

// 2. 约定数据长度 (8位)
USART_InitStructure.USART_WordLength = USART_WordLength_8b; 

// 3. 约定停止位 (1位)
USART_InitStructure.USART_StopBits = USART_StopBits_1; 

// 4. 约定校验位 (无)
USART_InitStructure.USART_Parity = USART_Parity_No; 

// 5. 约定硬件流控制 (不流控，不需要 RTS/CTS)
USART_InitStructure.USART_HardwareFlowControl = USART_HardwareFlowControl_None; 

// 6. 开启模式 (既能发，也能收)
USART_InitStructure.USART_Mode = USART_Mode_Rx | USART_Mode_Tx;

一句话总结：

USART 是两根线（TX/RX）的全双工通话，没有时钟线，所以双方必须严格约定波特率才能听懂对方在说什么。

拓展 UART and USART ​

对比维度UART（异步）USART（同步 + 异步）
通信模式仅支持异步支持异步 + 支持同步
时钟线无，靠波特率同步异步模式：无；同步模式：有 SCLK 时钟线
硬件引脚最少 2 根：TX（发）、RX（收）异步模式：2 根；同步模式：至少 3 根（TX/RX/SCLK）
数据准确性依赖波特率匹配（有误差容限）同步模式：靠时钟线同步，准确性更高；异步模式：和 UART 一致
应用场景绝大多数串口通信（如 USB 转 TTL、单片机间通信、传感器串口）异步模式：同 UART；同步模式：高速、高精度通信（如 SPI 兼容、工业级设备）
硬件实例部分 51 单片机的 UART 外设、简单的串口转换器（如 CH340）STM32 的 USART 外设（如 USART1~USART6）、ESP32 的 UART 外设（实际是 USART，支持同步）
  1. 从属关系：USART 是 UART 的超集，USART 包含 UART。
  2. 日常使用：99% 的嵌入式串口通信场景，都是 UART 模式，哪怕硬件是 USART 外设。
  3. 实操重点：你不需要纠结于术语，只需要掌握 异步串口的配置参数（波特率、数据位、校验位、停止位）和 电平匹配（3.3V/5V），这才是串口通信的核心。
  4. 对你的转型意义：理解这两个概念，能帮助你更好地阅读单片机的数据手册（如 STM32 的参考手册中，USART 外设的章节），以及在代码中配置串口时，明白每一个参数的意义。