串口通讯(Serial Communication)是指外设和计算机间，通过数据信号线、地线等，按位进行传输数据的一种通讯方式。其通讯协议可分层为协议层和物理层。
数据格式
通讯方式
数据校验
停止位
波特率
典型的串口通讯标准
RS232/RS485
8 RS232串口
RS232是计算机与通信工业应用中最广泛一种串行接口。它以全双工方式工作，需要地线、发送线和接收线三条线。RS232只能实现点对点的通信方式。
8.1 RS232串口缺点
●接口信号电平值较高，接口电路芯片容易损坏。
●传输速率低，最高波特率19200bps。
●抗干扰能力较差。
●传输距离有限，一般在15m以内。
●只能实现点对点的通讯方式。
8.2 RS232串口接口定义
RXD：接收数据，TXD：发送数据，GND/SG：信号地。
8.3 电脑DB9针接口定义
电脑DB9针接口是常见的RS232串口，其引脚定义如下：
2号脚：RXD(接收数据)
3号脚：TXD(发送数据)
5号脚：SG或GND(信号地)
其它脚：我们不用
9 RS485串口
9.1 RS485串口特点
●RS485采用平衡发送和差分接收，具有良好的抗干扰能力,信号能传输上千米。
●RS485有两线制和四线制两种接线。采用四线制时，只能实现点对多的通讯(即只能有一个主设备，其余为从设备)。四线制现在很少采用，现在多采用两线制接线方式。
●两线制RS485只能以半双式方式工作，收发不能同时进行。
●RS485在同一总线上最多可以接32个结点，可实现真正的多点通讯，但一般采用的是主从通信方式，即一个主机带多个从机。
●因RS485接口具有良好的抗干扰能力，长的传输距离和多站能力等优点使其成为首选的串行接口。
RS485串口的终端电阻
●一般情况下不需要增加终端电阻，只有在RS485通信距离超过100米的情况下，要在RS485通讯的开始端和结束端增加终端电阻，RS485典型终端电阻是120欧。
●终端电阻是为了消除在通信电缆中的信号反射在通信过程中，有两种信号因导致信号反射：阻抗不连续和阻抗不匹配。
阻抗不连续，信号在传输线末端突然遇到电缆阻抗很小甚至没有，信号在这个地方就会引起反射。消除这种反射的方法，就必须在电缆的末端跨接一个与电缆的特性阻抗同样大小的终端电阻，使电缆的阻抗连续。由于信号在电缆上的传输是双向的，因此，在通讯电缆的另一端可跨接一个同样大小的终端电阻。
引起信号反射的另一原因是数据收发器与传输电缆之间的阻抗不匹配。这种原因引起的反射，主要表现在通讯线路处在空闲方式时，整个网络数据混乱。要减弱反射信号对通讯线路的影响，通常采用噪声抑制和加偏置电阻的方法。在实际应用中，对于比较小的反射信号，为简单方便，经常采用加偏置电阻的方法。
串口线中的RTS、CTS、DSR、DTR及DCD信号，使用逻辑 1表示信号有效，逻辑0表示信号无效。例如，当计算机端控制DTR信号线表示为逻辑1时，它是为了告知远端的调制调解器，本机已准备好接收数据，0则表示还没准备就绪。
在目前的其它工业控制使用的串口通讯中，一般只使用RXD、TXD以及GND三条信号线，直接传输数据信号。
通信特点
异步
电平信号
串行通信
串口通信每次同时只能传输1个二进制位。
（2）RS232电平和TTL电平
🥥电平信号是用信号线电平减去参考线电平得到的电压差，这个电压差决定了传输值是1还是0。
🥥在电平信号中多少V代表1，多少V代表0是不固定的，取决于电平标准。譬如，RS232电平中-15V ~ -3V表示1，+3V ~ +15V表示0；TTL电平中+5V表示1，0V表示0。
🥥不管哪种电平都是为了在传输线上表示1和0，区别在于适用的环境和条件不同。RS232电平适合干扰大、距离远的情况，一般传输距离小于15米，用于工业上；TTL电平适合距离近且干扰小的情况，一般用在电路板内部的两个芯片之间。
🥥对于编程来说，RS232电平传输和TTL电平传输是没有差异的。所以电平标准对硬件工程更有意义，而软件工程师只要略懂即可(TTL电平和RS232电平混接是不可以的)。
（4）起始位、数据位、奇偶校验位、停止位
🥥串口通信时，收发是一个周期一个周期进行的，每个周期传输n个二进制位。这一个周期就叫做一个通信单元，一个通信单元由：起始位+数据位+奇偶校验位+停止位组成的。
🥥 起始位：表示发送方要开始发送一个通信单元，起始位的定义是串口通信标准事先指定的，是由通信线上的电平变化来反映的。
🥥数据位：是一个通信单元中发送的有效信息位，是本次通信真正要发送的有效数据，串口通信一次发送多少位有效数据是可以设定的（可选的有6、7、8、9，一般都是选择8位数据位，因为一般通过串口发送的文字信息都是ASCII码编码，而ASCII码中一个字符刚好编码为8位）。
🥥校验位：是用来校验数据位，以防止数据位出错的。
🥥停止位：是发送方用来表示本通信单元结束标志的，停止位的定义是串口通信标准事先指定的，是由通信线上的电平变化来反映的。常见的有1位停止位、1.5位停止位、2位停止位等，一般使用的是1位停止位。
⭐总结：
三根通信线：TX、RX、GND
任何通信都要有信息传输载体，或者是有线的或者是无线的。
串口通信是有线通信，是通过串口线来通信的。
串口线最少需要两根(GND和信号线)，可以实现单工通信；也可以使用3根通信线(TX、RX、GND)，来实现全双工通信。
一般开发板都会引出SOC上串口引脚直接输出的TTL电平的接口，用的是插针式插座，每个串口引出的都有3根通信线(TX、RX、GND)，可以用这些插座直接连接外部的TTL电平的串口设备。
收发双方事先规定好通信参数（波特率、数据位、奇偶校验位、停止位等）
信息以二进制流的方式在信道上传输
串口通信的发送方每隔一定时间（时间固定为1/波特率，单位是秒）将有效信息（1或者0）放到通信线上去，逐个二进制位的进行发送。
接收方通过定时（起始时间由读到起始位标志开始，间隔时间由波特率决定）读取通信线上的电平高低来区分发送给我的是1还是0。依次读取数据位、奇偶校验位、停止位，停止位就表示这一个通信单元（帧）结束，然后中间是不定长短的非通信时间（发送方有可能紧接着就发送第二帧，也可能半天都不发第二帧，这就叫异步通信），下来就是第二帧·····
总结：波特率非常重要，波特率错了整个通信就乱套了；数据位、奇偶校验位、停止位也很重要，否则可能认不清数据。通过串口不管发数字、还是文本还是命令还是什么，都要先对发送内容进行编码，编码成二进制再进行逐个位的发送。
串口发送的一般都是字符，一般都是ASCII码编码后的字符，所以一般设置数据位都是8，方便刚好一帧发送1个字符。
DB9接口介绍
UART概念
串口的官方名称是：UNIVERSAL ASYNCHRONOUS RECEIVER AND TRANSMITTER，即通用异步收发器，英文缩写是uart，中文简称串口。整个串口控制器包含transmitter和receiver两部分，这两部分功能彼此独立，transmitter负责210向外部发送信息，receiver负责从外部接收信息到210。
receiver由接收缓冲区和接收移位寄存器构成。当有人通过串口线向我发送信息时，信息通过Rx通信线进入我的接收移位寄存器中，然后接收移位寄存器自动移位并将该二进制位保存入我的接收缓冲区，接收完一帧数据后receiver会产生一个中断给CPU，CPU收到中断后即可知道receiver接收满了一帧数据，就会来读取这帧数据。
transmitter由发送缓冲区和发送移位寄存器构成。我们要发送信息时，首先将信息进行编码(一般用ASCII码)成二进制流，然后将一帧数据(一般是8位)写入发送缓冲区（从这里以后程序就不用管了，剩下的发送部分由硬件自动完成），最后发送移位寄存器会自动从发送缓冲区中读取一帧数据，然后自动移位(移位的目的是将一帧数据的各个位分别拿出来)将其发送到Tx通信线上。
receiver由接收缓冲区和接收移位寄存器构成。当有人通过串口线向我发送信息时，信息通过Rx通信线进入我的接收移位寄存器中，然后接收移位寄存器自动移位并将该二进制位保存入我的接收缓冲区，接收完一帧数据后receiver会产生一个中断给CPU，CPU收到中断后即可知道receiver接收满了一帧数据，就会来读取这帧数据。
⭐发送缓冲区和接收缓冲区是关键，发送移位寄存器和接收移位寄存器的工作都是自动的，不用编程控制的，所以我们写串口代码就是：首先初始化串口控制器(包括发送控制器和接收控制器)，然后要发送信息时直接写入发送缓冲区，要接收信息时直接去接收缓冲区中读取即可。
⭐软件工程师对串口操作的接口就是发送/接收缓冲区(实际就是寄存器，操作方式就是读写内存)。
⭐串口控制器中有一个波特率发生器，其作用是产生串口发送/接收的时钟节拍。波特率发生器其实就是个时钟分频器，它的工作需要源时钟(从APB总线来)，然后内部将源时钟进行分频(需要软件设置寄存器来配置)得到目标时钟，然后再用这个目标时钟产生波特率(由硬件自动完成的)。
UART FIFO
典型的串口设计，发送/接收缓冲区只有1字节，每次发送/接收只能处理1帧数据。这样在单片机中没什么问题，但是到复杂SOC中(一般有操作系统的)就会有问题，会导致效率低下，因为CPU需要不断切换上下文。
解决方案就是想办法扩展串口控制器的发送/接收缓冲区，譬如将发送/接收缓冲区设置为64字节，CPU一次过来直接给发送缓冲区64字节的待发送数据，然后transmitter慢慢发送，发送完再找CPU再要64字节数据。但是串口控制器本来的发送/接收缓冲区是固定的1字节大小的，所有做了个变相的扩展，就是FIFO。CPU先将64字节的数据放到FIFO中，然后启动FIFO模式，FIFO每次会自动往发送缓冲区中添加1字节数据，最后进行移位操作传输数据。
FIFO，就是first in first out，先进先出。FIFO其实是一种数据结构，这里这个大的缓冲区叫FIFO是因为这个缓冲区的工作方式类似于FIFO这种数据结构。
UART DMA
DMA，就是direct memory access，直接内存访问。DMA本来是DSP中的一种技术，DMA技术的核心就是在交换数据时不需要CPU参与，模块可以自己完成。
DMA模式要解决的问题和上面FIFO模式是同一个问题，就是串口发送/接收要频繁的折腾CPU造成CPU反复切换上下文导致系统效率低下。
传统的串口工作方式(无FIFO无DMA)效率是最低的，适合低端单片机；高端单片机上CPU事务繁忙所以都需要串口能够自己完成大量数据发送/接收，这时候就需要FIFO或者DMA模式。FIFO模式是一种轻量级的解决方案(只能从一定程度上解决问题，譬如几十字节的数据)，DMA模式适合大量数据迸发式的发送/接收(可以从根本上解决问题，可处理大量的数据)。
UART中断
串口通信分为发送/接收两部分，发送一般不需要中断即可完成发送，接收一般需要使用中断来接收。
发送方可以选择使用中断，也可以选择不使用中断。使用中断的工作情景是：发送方先设置好中断并绑定一个中断处理程序，然后发送方丢一帧数据给transmitter，transmitter耗费一段时间来发送这一帧数据，这段时间内发送方CPU可以去做别的事情，等transmitter发送完成后会产生一个TXD中断，该中断会导致事先绑定的中断处理程序执行，在中断处理程序中CPU会切换回来继续给transmitter放一帧数据，然后CPU切换离开；不使用中断的工作情景是：发送方事先禁止TXD中断（当然也不需要给相应的中断处理程序了），发送方CPU给一帧数据到transmitter，然后transmitter耗费一段时间来发送这帧数据，这段时间CPU在这等着（CPU没有切换去做别的事情），待发送方发送完成后CPU再给它一帧数据继续发送直到所有数据发完。CPU是怎么知道transmitter已经发送完了？原来是有个状态寄存器，状态寄存器中有一个位叫发送缓冲区空标志，transmitter发送完成（发送缓冲区空了）就会给这个标志位置1，CPU就是通过不断查询这个标志位为1还是0来知道发送是否已经完成的。
接收方可以选择使用中断，也可以选择不使用中断。使用中断的工作情景是：接收方先设置好中断并绑定一个中断处理程序，然后接收方会耗费一段时间从receiver中来接收一帧数据，这段时间内接收方CPU可以去做别的事情，等receiver接收数据完成后会产生一个RXD中断，该中断会导致事先绑定的中断处理程序执行，在中断处理程序中CPU会切换回来从receiver中读取数据，然后CPU切换离开；不使用中断的工作情景是：接收方事先禁止RXD中断（当然也不需要给相应的中断处理程序了），接收方会耗费一段时间从receiver中接收一帧数据，这段时间CPU在这等着（CPU没有切换去做别的事情），待接收方接收完成后CPU会继续等着直到所有数据接收完。CPU是怎么知道receiver已经接收完了？原来是有个状态寄存器，状态寄存器中有一个位叫接收缓冲区满标志，receiver接收完成（接收缓冲区满了）就会给这个标志位置1，CPU就是通过不断查询这个标志位为1还是0来知道接收是否已经完成的。
因为串口通信是异步的，异步的意思就是说发送方占主导权。也就是说发送方随时想发就能发，但是接收方只有时刻等待才不会丢失数据。所以这个差异就导致发送方可以不用中断，而接收方不得不使用中断模式。
UART时钟设计
串口通信为什么需要时钟？因为串口通信需要一个固定的波特率，所以transmitter和receiver都需要一个时钟信号。
时钟信号从哪里来？源时钟信号是外部APB总线（PCLK_PSYS，66MHz）提供给串口模块的（这就是为什么我们说串口是挂在APB总线上的），然后进到串口控制器内部后给波特率发生器（实质上是一个分频器），在波特率发生器中进行分频，分频后得到一个低频时钟，这个时钟就是给transmitter和receiver使用的。
串口通信中时钟的设置主要看寄存器设置。重点的有：寄存器源设置（为串口控制器选择源时钟，一般选择为PCLK_PSYS，也可以是SCLK_UART），还有波特率发生器的2个寄存器。
波特率发生器有2个重要寄存器：UBRDIVn和UDIVSLOTn，其中UBRDIVn是主要的设置波特率的寄存器，UDIVSLOTn是用来辅助设置的，目的是为了校准波特率的。
STM32芯片具有多个USART外设用于串口通讯，即通用同步异步收发器可以灵活地与外部设备进行全双工数据交换。有别于USART，它还有具有UART外设(Universal Asynchronous Receiver and Transmitter)，它是在USART基础上裁剪掉了同步通信功能，只有异步通信。简单区分同步和异步就是看通信时需不需要对外提供时钟输出，我们平时用的串口通信基本都是UART。
USART满足外部设备对工业标准NRZ异步串行数据格式的要求，并且使用了小数波特率发生器，可以提供多种波特率，使得它的应用更加广泛。USART支持同步单向通信和半双工单线通信；还支持局域互连网络LIN、智能卡(SmartCard)协议与lrDA(红外线数据协会) SIR ENDEC规范。
USART支持使用DMA，，即直接存储器访问。DMA传输将数据从一个地址空间复制到另一个地址空间，提供在外设和存储器之间或者存储器和存储器之间的高速数据传输。可实现高速数据通信。
USART在STM32应用最多莫过于"打印"程序信息，一般在硬件设计时都会预留一个USART通信接口连接电脑，用于在调试程序是可以把一些调试信息"打印"在电脑端的串口调试助手工具上，从而了解程序运行是否正确、指出运行出错位置等等。
STM32的USART输出的是TTL电平信号，若需要RS-232标准的信号可使用MAX3232芯片进行转换。
STM32F42xxx系统控制器有四个USART和四个UART，其中USART1和USART6的时钟来源于APB2总线时钟，其最大频率为90MHz，其他六个的时钟来源于APB1总线时钟，其最大频率为45MHz。
UART只是异步传输功能，所以没有SCLK、nCTS和nRTS功能引脚。
USART数据寄存器(USART_DR)只有低9位有效，并且第9位数据是否有效要取决于USART控制寄存器1(USART_CR1)的M位设置，当M位为0时表示8位数据字长，当M位为1表示9位数据字长，我们一般使用8位数据字长。
USART_DR包含了已发送的数据或者接收到的数据。USART_DR实际是包含了两个寄存器，一个专门用于发送的可写TDR，一个专门用于接收的可读RDR。当进行发送操作时，往USART_DR写入数据会自动存储在TDR内；当进行读取操作时，向USART_DR读取数据会自动提取RDR数据。
TDR和RDR都是介于系统总线和移位寄存器之间。串行通信是一个位一个位传输的，发送时把TDR内容转移到发送移位寄存器，然后把移位寄存器数据每一位发送出去，接收时把接收到的每一位顺序保存在接收移位寄存器内然后才转移到RDR。
USART支持DMA传输，可以实现高速数据传输。
USART有专门控制发送的发送器、控制接收的接收器，还有唤醒单元、中断控制等等。使用USART之前需要向USART_CR1寄存器的UE位置1使能USART。发送或者接收数据字长可选8位或9位，由USART_CR1的M位控制。
发送器
当USART_CR1寄存器的发送使能位TE置1时，启动数据发送，发送移位寄存器的数据会在TX引脚输出，如果是同步模式SCLK也输出时钟信号。
一个字符帧发送需要三个部分：起始位+数据帧+停止位。起始位是一个位周期的低电平，位周期就是每一位占用的时间；数据帧就是我们要发送的8位或9位数据，数据是从最低位开始传输的；停止位是一定时间周期的高电平。
停止位时间长短是可以通过USART控制寄存器2(USART_CR2)的STOP[1:0]位控制，可选0.5个、1个、1.5个和2个停止位。默认使用1个停止位。2个停止位适用于正常USART模式、单线模式和调制解调器模式。0.5个和1.5个停止位用于智能卡模式。
当发送使能位TE置1之后，发送器开始会先发送一个空闲帧(一个数据帧长度的高电平)，接下来就可以往USART_DR寄存器写入要发送的数据。在写入最后一个数据后，需要等待USART状态寄存器(USART_SR)的TC位为1，表示数据传输完成，如果USART_CR1寄存器的TCIE位置1，将产生中断。
接收器
如果将USART_CR1寄存器的RE位置1，使能USART接收，使得接收器在RX线开始搜索起始位。在确定到起始位后就根据RX线电平状态把数据存放在接收移位寄存器内。接收完成后就把接收移位寄存器数据移到RDR内，并把USART_SR寄存器的RXNE位置1，同时如果USART_CR2寄存器的RXNEIE置1的话可以产生中断。
为得到一个信号真实情况，需要用一个比这个信号频率高的采样信号去检测，称为过采样，这个采样信号的频率大小决定最后得到源信号准确度，一般频率越高得到的准确度越高，但为了得到越高频率采样信号越也困难，运算和功耗等等也会增加，所以一般选择合适就好。
接收器可配置为不同过采样技术，以实现从噪声中提取有效的数据。USART_CR1寄存器的OVER8位用来选择不同的采样采样方法，如果OVER8位设置为1采用8倍过采样，即用8个采样信号采样一位数据；如果OVER8位设置为0采用16倍过采样，即用16个采样信号采样一位数据。
USART的起始位检测需要用到特定序列。如果在RX线识别到该特定序列就认为是检测到了起始位。起始位检测对使用16倍或8倍过采样的序列都是一样的。该特定序列为：1110X0X0X0000，其中X表示电平任意，1或0皆可。
🥥使用GPIO_InitTypeDef和USART_InitTypeDef结构体定义一个GPIO初始化变量以及一个USART初始化变量。
🥥调用RCC_AHB1PeriphClockCmd函数开启GPIO端口时钟，使用GPIO之前必须开启对应端口的时钟。使用RCC_APB2PeriphClockCmd函数开启USART时钟。
🥥使用GPIO之前都需要初始化配置它，并且还要添加特殊设置，因为我们使用它作为外设的引脚，一般都有特殊功能。我们在初始化时需要把它的模式设置为复用功能。
🥥每个GPIO都可以作为多个外设的特殊功能引脚，比如PA10这个引脚不仅仅可以作为普通的输入\输出引脚，还可以作为USART1的RX线引脚(USART1_RX)、定时器1通道3引脚(TIM1_CH3)、全速OTG的ID引脚(OTG_FS_ID)以及DCMI的数据1引脚(DCMI_D1)这四个外设的功能引脚，我们只能从中选择一个使用，这时就通过GPIO引脚复用功能配置(GPIO_PinAFConfig)函数实现复用功能引脚的连接。
🥥这时我们可能会想如果程序把PA10用于TIM1_CH3，此时USART1_RX就没办法使用了，那岂不是不能使用USART1了，实际上情况没有这么糟糕的，查阅表 203我们可以看到USART1_RX不仅仅只有PA10，还可以是PB7。所以此时我们可以PB7这个引脚来实现USART1通信。那要是PB7也是被其他外设占用了呢？那就没办法了，只能使用其他USART。
🥥GPIO_PinAFConfig函数接收三个参数，第一个参数为GPIO端口，比如GPIOA；第二个参数是指定要复用的引脚号，比如GPIO_PinSource10；第三个参数是选择复用外设，比如GPIO_AF_USART1。该函数最终操作的是GPIO复用功能寄存器GPIO_AFRH和GPIO_AFRL，分高低两个。
🥥程序用到USART接收中断，需要配置NVIC，这里调用NVIC_Configuration函数完成配置。配置NVIC就可以调用USART_ITConfig函数使能USART接收中断。
🥥最后调用USART_Cmd函数使能USART。