UART 串口通信

概念

上一章让一根引脚能变高变低，但那是"一位"信息。要把一个字节甚至一整句话送出去，还得约定：什么时候算开始、哪几位是数据、什么时候算结束。 UART 就是最古老也最普及的那套约定。

一句话说清它是什么：UART（Universal Asynchronous Receiver/Transmitter，通用异步收发器）是把并行数据变成串行比特流送出去、再在另一端还原回来的一对收发电路。

"异步"两个字是关键——它和 SPI、I2C 的根本差别在这里：

总线	时钟线	靠什么对齐	线数
UART	没有	起始位 + 双方约定同一个波特率	2（TX、RX）
SPI	有（SCK）	时钟边沿	4
I2C	有（SCL）	时钟线	2

没有时钟线，就只能靠"约定"：双方必须事先说好"每秒发多少位"（波特率）。一旦两个方向配的波特率不一致，收到的就是乱码——这是串口调试排在第一位的检查项。

这一层回答了上一层什么问题：上一章只给了一根能通断的线，没说这根线上"1"和"0"的序列怎么划分成字节。UART 补的就是帧的划分规则与速率约定。

原理

一、异步意味着什么：没有时钟线

同步通信有专门的时钟线，收方跟着时钟采样就行。异步通信省掉了这根线（省一根线、省一个引脚），代价是收方必须自己"数拍子"：

发送方:  ... 空闲(高)  0 1 0 0 0 0 0 1 0 1 (停止,高)  空闲(高) ...
                     ^起始位                ^停止位
接收方:  检测到下降沿 -> 启动内部计数 -> 在第 1.5 位、2.5 位 ... 采样

三个要点：

• 空闲态是高电平：所以"起始位"是一个下降沿，这让收方能识别"一个新帧来了"。
• 靠起始沿重新同步：每一帧都重新对齐一次，所以双方只要波特率足够接近，累积误差不会跨帧累积。
• 帧与帧之间必须有空闲：停止位保证至少有一段高电平，否则下一帧的起始沿就没了。

二、帧格式：起始位、数据位、校验位、停止位

一帧就是"1 个起始位 + 若干数据位 + 可选校验位 + 若干停止位"：

段	位数	说明
起始位	固定 1	恒为低电平
数据位	5 / 6 / 7 / 8（9 也有）	LSB 先发
校验位	0 或 1	偶校验/奇校验/无
停止位	1 / 1.5 / 2	恒为高电平

记法是 数据位 + 校验 + 停止 三个字母数字：

8N1 = 8 数据 + None 校验 + 1 停止 = 1 + 8 + 0 + 1 = 10 位/字节
8E1 = 8 数据 + Even 偶校验 + 1 停止 = 1 + 8 + 1 + 1 = 11 位/字节
7O2 = 7 数据 + Odd 奇校验 + 2 停止 = 1 + 7 + 1 + 2 = 11 位/字节

注意数据位是 LSB 先发：发 0x41（二进制 01000001）时，线上先出现的是 bit0（1），最后才是 bit7（0）。这是初学者最常搞反的细节。

"1 个起始位"是恒定的：起始位永远是 1 位，可变的是数据位、校验位和停止位。所以总位数最小是 1+5+0+1 = 7，最大是 1+9+1+2 = 13。

三、波特率与位时间

波特率是每秒传输的位数（不是字节数），单位 bps 或 Baud。它与位时间互为倒数：

T_bit = 1 / 波特率
一帧时间 = 帧总位数 / 波特率

常见的波特率以及 8N1（10 位/字节）下的时间：

9600   bps -> T_bit = 104.1667 us，一字节 = 1.0417 ms
115200 bps -> T_bit =   8.6806 us，一字节 = 0.0868 ms

两个换算要能心算：9600 的位时间约 104 μs（约 1/9600 秒），115200 是它的 12 倍速。波特率越高，一帧越短、相同数据传得越快——但也有代价（后面讲误差与电平）。

传一整块数据的账：

时间 = 字节数 x 帧位数 / 波特率
1 MB @ 9600   bps = 1048576 x 10 / 9600   = 1092.267 s（约 18 分钟）
1 MB @ 115200 bps = 1048576 x 10 / 115200 =   91.022 s

这就是为什么早期下载固件很慢：9600 下传 1 MB 要 18 分钟。

四、波特率发生器：分频与误差

收发的位拍子从哪来？从系统时钟分频。STM32 的公式是：

USARTDIV = f_CK / (16 x 波特率)

其中 16 就是过采样倍数（下一节）。USARTDIV 是一个有整数部和小数部（4 位小数）的数，硬件尽量逼近它。

关键问题：分频比做不到无限精细，所以实际波特率与目标有偏差：

目标 9600   bps @ 72 MHz -> USARTDIV = 468.75    -> 整数部 468，小数部 12/16 -> 实际 9600.00 bps，误差 +0.0000%
目标 115200 bps @ 72 MHz -> USARTDIV =  39.0625  -> 整数部  39，小数部  1/16 -> 实际 115200.00 bps，误差 +0.0000%
目标 921600 bps @ 72 MHz -> USARTDIV =   4.8828  -> 整数部   4，小数部 14/16 -> 实际 923076.92 bps，误差 +0.1603%

前两行正好整除（幸运），第三行就不能整除，误差 +0.1603%。

误差容忍度是多少：一帧 10 位，采样点在每位的中间，所以允许的总偏差大约是半个位宽（0.5 / 10 = 5%）。但这 5% 是收发双方共同的预算，单边一般要求 小于 2%~3%。上面 0.16% 完全安全；但如果误差接近 2%，长帧的最后几位就会"采样到隔壁位"。

五、接收端怎么对得准：16 倍过采样

只靠"每帧重新对齐"还不够——一帧内部也可能逐渐漂移。解决办法是每位采多次：

每一位被划分成 16 个采样时钟：

位宽 = |<---------------- 16 个采样时钟 ---------------->|
采样点 =      1  2  3  4  5  6  7 [8] [9] [10] 11 12 13 14 15 16
                                    ^^^^^^^^^^^^
                                    取中间第 8、9、10 个做 3 取 2 表决

三个好处：

1. 采样点在位的正中间（第 8~10 个采样时钟），离两侧边沿最远，最抗漂移。
2. 3 取 2 表决：三个采样值里有两个一致就算这个位是它，能滤掉单点噪声。
3. 漂移容限约 ±50%：只要累积偏差不超过半个位宽，中间采样点仍落在本位的范围内。

六、电平标准：TTL、RS-232、RS-485

"串口"这个词并不唯一——同样的帧格式，可以跑在不同的物理电平上：

标准	逻辑 1	逻辑 0	距离	特点
TTL	3.3 V（或 5 V）	0 V	板内几十 cm	直连 MCU，最常用
RS-232	−3 ~ −15 V	+3 ~ +15 V	十几米	负逻辑，抗干扰强
RS-485	差分 A/B 两线	差分反向	千米级	抗共模，可挂 32 节点以上

RS-232 是"负逻辑"：负电压表示 1，正电压表示 0。所以从 MCU 的 TTL 接到电脑的串口，中间必须过一个电平转换芯片（如 MAX232），不能直连——直连既收不到正确电平，还可能把引脚打坏。

RS-485 用差分：两根线传同一个信号的反相，干扰对两线的影响相同，相减就抵消了。所以它能跑上千米、能挂一堆设备，是工业现场总线（Modbus RTU）的物理层。

七、差错检测与流控

UART 有三层"出错提示"，都通过状态寄存器暴露：

错误标志	触发条件	含义
校验错误 PE	校验位对不上	数据位里有一位翻了
帧错误 FE	停止位不是高电平	波特率不匹配或线路噪声
溢出错误 ORE	上一字节还没读走，新的又来了	CPU 响应太慢，数据丢了

溢出错误是最要紧的：它说明软件有问题（没及时读数据寄存器），不是线路问题。

流控解决的是"收方来不及"：硬件流控用 RTS / CTS 两根额外线，收方通过 RTS 告诉发方"先别发"。软件流控则用特殊字符 XON / XOFF（0x11 / 0x13）——但传输二进制数据时软件流控可能误判，所以高速链路一般用硬件流控。

示例

例 1：帧格式与位数

三种常见配置的总位数：

8N1: 1 起始 + 8 数据 + 0 校验 + 1 停止 = 10 位
8E1: 1 起始 + 8 数据 + 1 校验 + 1 停止 = 11 位
7O2: 1 起始 + 7 数据 + 1 校验 + 2 停止 = 11 位

同样的数据，换个配置总位数就变了，算传输时间时必须用配置对应的位数，不能默认 10。

例 2：位时间与传输耗时

9600   bps -> T_bit = 104.1667 us，一字节(10 位) = 1.0417 ms
19200  bps -> T_bit =  52.0833 us，一字节(10 位) = 0.5208 ms
115200 bps -> T_bit =   8.6806 us，一字节(10 位) = 0.0868 ms
921600 bps -> T_bit =   1.0851 us，一字节(10 位) = 0.0109 ms

传 1 MB（8N1）的账：

9600   bps -> 1092.267 s
115200 bps ->   91.022 s
921600 bps ->   11.378 s

例 3：STM32 波特率误差

f_CK = 72 MHz，逐档算：

9600   bps -> 整数部 468，小数部 12/16 -> 实际   9600.00 bps，误差 +0.0000%
115200 bps -> 整数部  39，小数部  1/16 -> 实际 115200.00 bps，误差 +0.0000%
921600 bps -> 整数部   4，小数部 14/16 -> 实际 923076.92 bps，误差 +0.1603%
2000000 bps -> 整数部  2，小数部  4/16 -> 实际 2000000.00 bps，误差 +0.0000%

921600 的 0.16% 是安全区；但如果把系统时钟改成非整倍的频率，误差可能顶到 1% 以上，这时就要么改时钟、要么降波特率。

例 4：C 实现——帧组装与波特率分频

把帧组装（含 LSB 先发）和 USARTDIV 的分频算法都写出来。

/* uart.c —— 用 C 模拟 UART 的波特率分频与帧组装 */
#include <stdio.h>
#include <stdint.h>

#define F_CK        72000000u
#define OVERSAMPLE  16u

static uint32_t usartdiv_int;
static uint32_t usartdiv_frac;

/* 算出最接近的整数部 + 小数部（4 位小数） */
static void uart_init(uint32_t baud)
{
    uint32_t den = OVERSAMPLE * baud;
    uint32_t rem = F_CK % den;

    usartdiv_int  = F_CK / den;
    usartdiv_frac = (rem * 16u + den / 2u) / den;      /* 四舍五入 */
    if (usartdiv_frac >= 16u) {
        usartdiv_int++;
        usartdiv_frac -= 16u;
    }
}

/* 打印一帧：起始位 + 8 位数据（LSB 先发）+ 停止位 */
static void uart_send_frame(uint8_t c)
{
    int i;
    printf("TX 0x%02X (0", c);
    for (i = 0; i < 8; i++) {
        printf("%d", (c >> i) & 1u);      /* LSB 先发 */
    }
    printf("1) = 10 bits\n");
}

int main(void)
{
    uint32_t baud = 115200u;

    uart_init(baud);
    printf("HSE 8 MHz -> f_CK %u MHz\n", (unsigned)(F_CK / 1000000u));
    printf("baud %u : USARTDIV int %u, frac %u/16\n",
           (unsigned)baud, (unsigned)usartdiv_int, (unsigned)usartdiv_frac);
    printf("bit time = 1/%u s = %.4f us, frame of 10 bits = %.4f ms\n",
           (unsigned)baud, 1e6 / baud, 1e4 / baud);

    printf("\n");
    uart_send_frame(0x41);     /* 'A' */
    uart_send_frame(0x55);     /* 0x55 = 01010101 */

    printf("\n");
    printf("\"Hello\" 5 bytes @ %u bps takes %.4f ms\n", (unsigned)baud, 5 * 1e4 / baud);
    return 0;
}

c 本站为静态站，不提供在线运行；可复制到本地用 gcc / python 执行

预期输出：

HSE 8 MHz -> f_CK 72 MHz
baud 115200 : USARTDIV int 39, frac 1/16
bit time = 1/115200 s = 8.6806 us, frame of 10 bits = 0.0868 ms

TX 0x41 (0100000101) = 10 bits
TX 0x55 (0101010101) = 10 bits

"Hello" 5 bytes @ 115200 bps takes 0.4340 ms

看 0x41 那一行：0100000101 去掉首尾的起始位与停止位，中间 8 位是 10000010，正好是 0x41 = 01000001 的倒序——这就是"LSB 先发"的直接证据。

例 5：Python——帧、位时间、误差验算

# UART：帧格式、位时间、波特率误差与过采样

print("=== 一、帧格式与总位数 ===")
for cfg, b, p, s in [("8N1", 8, 0, 1), ("8E1", 8, 1, 1), ("7O2", 7, 1, 2)]:
    print(f"{cfg}: 1 起始 + {b} 数据 + {p} 校验 + {s} 停止 = {1 + b + p + s} 位")

print("\n=== 二、位时间与一帧时间（8N1）===")
for baud in (9600, 19200, 115200, 921600):
    tb = 1 / baud
    print(f"{baud:7d} bps -> T_bit = {tb * 1e6:10.4f} us，一字节(10 位) = {tb * 10 * 1e3:9.4f} ms")

print("\n=== 三、传 1 MB 需要多久（8N1，10 位/字节）===")
size = 1024 * 1024
for baud in (9600, 115200, 921600):
    print(f"{baud:7d} bps -> {size * 10 / baud:8.3f} s")

print("\n=== 四、STM32 波特率发生器：USARTDIV = f_CK / (16 x baud) ===")
f_ck = 72_000_000
for baud in (9600, 115200, 921600, 2000000):
    d = f_ck / (16 * baud)
    mant = int(d)
    frac = round((d - mant) * 16)
    if frac == 16:
        mant, frac = mant + 1, 0
    if mant == 0:
        print(f"{baud:8d} bps -> USARTDIV = {d:.4f} -> 分频 < 1，须改用 8 倍过采样")
        continue
    real = f_ck / (16 * (mant + frac / 16))
    print(f"{baud:8d} bps -> 整数部 {mant}，小数部 {frac}/16 -> 实际 {real:.2f} bps，误差 {(real - baud) / baud * 100:+.4f} %")

print("\n=== 五、16 倍过采样取 3 取 2 ===")
print("每 bit 采 16 个采样时钟，取第 8/9/10 个做 3 取 2 表决")
print(f"可容忍的最大相位偏差约 = {8 / 16 * 100:.1f} %（1/2 位）")

print("\n=== 六、电平标准 ===")
for name, desc in [("TTL", "0 V = 0，3.3 V = 1（板内短距）"),
                   ("RS-232", "+3~+15 V = 0，-3~-15 V = 1（负逻辑，走线远）"),
                   ("RS-485", "差分 A/B 双绞线，抗共模，可挂 32 节点以上")]:
    print(f"{name:7s} {desc}")

python 本站为静态站，不提供在线运行；可复制到本地用 gcc / python 执行

预期输出：

=== 一、帧格式与总位数 ===
8N1: 1 起始 + 8 数据 + 0 校验 + 1 停止 = 10 位
8E1: 1 起始 + 8 数据 + 1 校验 + 1 停止 = 11 位
7O2: 1 起始 + 7 数据 + 1 校验 + 2 停止 = 11 位

=== 二、位时间与一帧时间（8N1）===
   9600 bps -> T_bit =   104.1667 us，一字节(10 位) =    1.0417 ms
  19200 bps -> T_bit =    52.0833 us，一字节(10 位) =    0.5208 ms
 115200 bps -> T_bit =     8.6806 us，一字节(10 位) =    0.0868 ms
 921600 bps -> T_bit =     1.0851 us，一字节(10 位) =    0.0109 ms

=== 三、传 1 MB 需要多久（8N1，10 位/字节）===
   9600 bps -> 1092.267 s
 115200 bps ->   91.022 s
 921600 bps ->   11.378 s

=== 四、STM32 波特率发生器：USARTDIV = f_CK / (16 x baud) ===
    9600 bps -> 整数部 468，小数部 12/16 -> 实际 9600.00 bps，误差 +0.0000 %
  115200 bps -> 整数部 39，小数部 1/16 -> 实际 115200.00 bps，误差 +0.0000 %
  921600 bps -> 整数部 4，小数部 14/16 -> 实际 923076.92 bps，误差 +0.1603 %
 2000000 bps -> 整数部 2，小数部 4/16 -> 实际 2000000.00 bps，误差 +0.0000 %

=== 五、16 倍过采样取 3 取 2 ===
每 bit 采 16 个采样时钟，取第 8/9/10 个做 3 取 2 表决
可容忍的最大相位偏差约 = 50.0 %（1/2 位）

=== 六、电平标准 ===
TTL     0 V = 0，3.3 V = 1（板内短距）
RS-232  +3~+15 V = 0，-3~-15 V = 1（负逻辑，走线远）
RS-485  差分 A/B 双绞线，抗共模，可挂 32 节点以上

考点

• 帧位数算总长：1 + 数据位 + 校验位 + 停止位。起始位恒为 1 位；8N1 是 10 位，8E1 是 11 位。算传输时间必须用对总位数。
• 波特率是"每秒位数"不是"每秒字节数"：T_bit = 1 / 波特率，一帧时间 = 帧位数 / 波特率。
• 数据位 LSB 先发：0x41 在线上的数据段是 10000010（倒序）。这是最经典的选择题考点。
• 波特率误差容忍：一帧 10 位时总预算约 5%（半个位宽），单边要求小于 2%~3%。算完 USARTDIV 必须回代算实际波特率与误差。
• 过采样：16 倍、采样点在第 8~10 个、3 取 2 表决。别把"16 倍"记成"采 16 次求平均"——是取中间三个做多数表决。
• RS-232 是负逻辑（负电压是 1），且电平远高于 TTL，必须经电平转换芯片。RS-485 是差分、能挂多机、能跑千米。
• 三个错误标志：奇偶错 PE（数据位翻了一位）、帧错 FE（停止位不对，通常是波特率不匹配）、溢出错 ORE（软件没及时读，最要紧）。
• 易错：把 TX 与 RX 接反（要交叉接）；忘记共地（GND 必须连）；以为波特率配置错了会引起"校验错"（其实先表现成帧错）。

小结

• 异步 = 没有时钟线，靠"起始位下降沿重新同步" + "双方约定同一个波特率"。
• 一帧的组成：1 起始位 + 5~9 数据位（LSB 先发）+ 可选校验位 + 1/1.5/2 停止位；空闲态是高电平。
• 位时间 1 / 波特率，帧时间 帧位数 / 波特率；传 1 MB @ 9600 要 18 分钟。
• 波特率由系统时钟分频得到（USARTDIV = f_CK / (16 × 波特率)），分频取整会带来误差，必须回代校核，单边误差要小于 2%~3%。
• 16 倍过采样 + 中间三点 3 取 2，把采样点放在位的正中间，换来约 ±50% 的漂移容限。
• 同样一帧可以跑在三种电平上：TTL（板内）、RS-232（负逻辑、必须转换）、RS-485（差分、多机、千米）。
• 三类错误标志 + 硬件流控，其中溢出错误（ORE）是软件问题而非线路问题。

回到主线：这一章把上一章的"一根线"变成了"一套协议"。它依赖 GPIO 的模式与复用功能 来把引脚交给 USART 外设，也复用了 net 里 物理层与编码 的"比特怎么上线"这套视角——只是把网络的"成帧"缩到了两个芯片之间。它交出去的下一个问题是：如果我要接的不止一个设备，两根线够不够？

这一章只答了"两个设备之间怎么传字节"，还没答"怎么把多个设备挂到同一组线上"。下一章换两种总线，专门解决"多设备"这件事。

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