STM32F103C8T6 串口通信：轮询 / 中断 / DMA 三种方式，附 Keil 逻辑分析仪测波特率

这次做的实验是 STM32 串口（USART）。要求挺全：先用 HAL 库实现最基本的串口收发，再把轮询、中断、DMA三种方式都过一遍，最后在没有示波器的情况下用 Keil 的逻辑分析仪看波形、反推波特率。中间踩了不少坑，记录一下留个档。

一、实验是啥

板子还是最常见的 STM32F103C8T6（Blue Pill），内容分"基础 + 三个任务"：

• 基础 1：串口协议、RS232/RS485/TTL/CH340 这些理论。
• 基础 2：两台笔记本怎么通过串口传文件。
• 任务一（轮询）：STM32 往上位机连续发hello windows!，观察"不加延时连续发"时上位机是不是会丢数据；上位机发#暂停、发*继续。
• 任务二：用中断方式重做上面的#/*控制，再用DMA方式连续发送。
• 任务三：没示波器，用Keil 软件仿真 + 逻辑分析仪看串口输出波形，算实际波特率。

二、先理清串口那点事

帧格式（8N1）

串口是异步通信，双方不共时钟线，靠约定同样的波特率来"对齐"每一位。每个字符 10 个 bit：

[起始位 0] [8 个数据位 D0~D7] [停止位 1]

起始位固定是低电平（0），停止位固定是高电平（1），数据位先发低位。波特率 115200 就是每秒 115200 bit，所以1 bit ≈ 8.68µs，一个字符 ≈ 86.8µs。

三种电平：TTL / RS232 / RS485

协议（帧格式、波特率）是一样的，区别在物理层电平：

| 标准 | 电平 逻辑 距离 用在哪儿
| TTL | 0~3.3V 高=1 低=0 很短 单片机、CH340 之间
| RS232 | ±15V 负逻辑 ~15m 老式电脑 DB9 串口
| RS485 | 差分 A/B 压差正负 上千米 工业现场、多机总线

单片机串口是 TTL 电平，电脑上只有 USB，所以要用CH340这个"USB 转 TTL"的桥接芯片：电脑 USB → CH340 → TTL → STM32。CH340 插电脑上被识别成一个 COM 口（我这是 COM3）。

三、两台笔记本怎么传文件

下面讲原理，硬件限制单独标出来。

串口传文件是怎么回事

串口一次只搬一个字节，本身没有"文件"这个概念。"串口传文件"就是把文件当成一串字节，按协议切成一块块发过去，接收方校验对了再拼回文件。麻烦点有两个：

1. 串口没时钟、还可能丢字节——两边只约定了波特率，数据一多一快就可能错位、丢字节；
2. 怎么知道传完没、传错没——光靠起止位不够，得在每一块数据里加序号、长度、校验和，收方算一遍对不上就让对方重发。

这俩问题就是文件传输协议（XMODEM / YMODEM / ZMODEM）要解决的。

三个文件传输协议

| 协议 | 一块多大 | 校验 | 特点

| XMODEM | 128 字节 | 累加和 | 最老最简单，每块都要等对方 ACK，慢
| YMODEM | 1024 字节 | 累加和 | XMODEM 升级，能一次传多个文件
| ZMODEM | 动态 | CRC32 | 效率最高，带文件名/大小、支持断点续传，最常用

流程都差不多：发送方把文件切成块 → 加序号和校验发出去 → 接收方收到后校验 → 回 ACK（对，继续下一块）或 NAK（错，重发这一块）→ 全部发完再发"结束"标志。ZMODEM 因为自带文件名和断点续传，实际最常用。

硬件怎么接

老台式机/笔记本背后有DB9 串口（公头），两台对连得用交叉串口线（也叫空调制解调器线 / null modem）：2 脚 TX 接对方 3 脚 RX、3 脚 RX 接对方 2 脚 TX，GND 共地。现在的笔记本基本没串口了，就换成两根 USB 转串口（比如两个 CH340），一根的 TX 接另一根的 RX、RX 接 TX、GND 共地，效果一样。

软件怎么操作

经典做法是用Windows 超级终端（HyperTerminal），两边设成一样的波特率/数据位/停止位（比如 115200 8N1），接收方点"接收文件"、发送方点"发送文件"，协议选ZMODEM，之后就自动握手、分块传输、校验、结束。

四、轮询方式（任务一）

接线

USART1 用 PA9（TX）/ PA10（RX），串口是交叉接的：

• PA9（STM32 发送）→ CH340 模块RXD
• PA10（STM32 接收）→ CH340 模块TXD
• 两边 GND 共地

核心代码

轮询的精髓就在主循环里那句HAL_UART_Receive(&huart1, &ch, 1, 0)——最后一个参数0是超时时间，意思是"别等，看一眼有没有字符，没有立刻返回"。CPU 每转一圈就主动问一次串口：

while(1){/* 非阻塞轮询：查一眼有没有字符，没有就继续 */if(HAL_UART_Receive(&huart1,&ch,1,0)==HAL_OK){if(ch=='#')g_paused=1;/* 收到 '#' 暂停 */elseif(ch=='*')g_paused=0;/* 收到 '*' 继续 */}if(g_paused==0){HAL_UART_Transmit(&huart1,(uint8_t*)msg,strlen(msg),1000);HAL_Delay(200);/* 每句间隔 200ms */}}

现象

• 加 200ms 延时：串口助手一行行稳定收到hello windows!，不丢不乱；
• 不加延时（把HAL_Delay(200)去掉）：STM32 最快速度连发，串口助手直接刷屏，肉眼可见丢数据——发送快于上位机接收，就会丢。
• #停、*继续，验证通过。

五、中断方式

现象跟任务一一模一样，但底下机制不同：任务一是主循环主动查字符，任务二是主循环根本不查，用HAL_UART_Receive_IT把接收中断"挂上"，字符一到硬件自动打断 CPU、进回调处理。

/* 先启动一次中断接收，之后每收 1 字节都自动进回调 */HAL_UART_Receive_IT(&huart1,&g_rx_ch,1);while(1){if(g_paused==0)/* 主循环只管发，不查字符 */{HAL_UART_Transmit(&huart1,(uint8_t*)msg,strlen(msg),1000);HAL_Delay(200);}}/* 接收完成回调：HAL 每收满 1 个字节调用一次 */voidHAL_UART_RxCpltCallback(UART_HandleTypeDef*huart){if(huart->Instance==USART1){if(g_rx_ch=='#')g_paused=1;elseif(g_rx_ch=='*')g_paused=0;HAL_UART_Receive_IT(&huart1,&g_rx_ch,1);/* 必须重新开，否则只收一次 */}}

别忘了在stm32f1xx_it.c里加串口中断入口，和任务一唯一的区别就是 MspInit 里多开了 USART1 的 NVIC 中断：

voidUSART1_IRQHandler(void){HAL_UART_IRQHandler(&huart1);}

六、DMA 方式—— 含"只发一句就停"的坑

DMA 的思路：HAL_UART_Transmit_DMA启动一次，数据由 DMA 硬件直接搬到串口，发完在"发送完成"回调里立刻启动下一句，实现无延时连续发送，主循环彻底空着。

USART1 的发送 DMA 固定用DMA1 通道 4。核心代码：

/* 发送完成回调：发完这一句立刻启动下一句（连续发送） */voidHAL_UART_TxCpltCallback(UART_HandleTypeDef*huart){if(huart->Instance==USART1){g_tx_count++;intlen=sprintf((char*)tx_buf,"hello windows! DMA send #%lu\r\n",(unsignedlong)g_tx_count);HAL_UART_Transmit_DMA(&huart1,tx_buf,len);![在这里插入图片描述](https://i-blog.csdnimg.cn/direct/b238d6d2518543f4aebe926a81fe22ee.gif#pic_center)}}intmain(void){HAL_Init();SystemClock_Config();MX_USART1_UART_Init();g_tx_count=1;intlen=sprintf((char*)tx_buf,"hello windows! DMA send #%lu\r\n",(unsignedlong)g_tx_count);HAL_UART_Transmit_DMA(&huart1,tx_buf,len);/* 启动第一次 DMA */while(1){/* 主循环啥也不用干 */}}

坑：只发出 #1 就停了

烧进去之后，串口只蹦出一句#1就不动了，按一下复位再蹦一句#1。我以为是 DMA 没配好，折腾半天。最后是翻 HAL 源码找到的根因：

F1 的 HAL 里，HAL_UART_Transmit_DMA用的是DMA 普通模式，DMA 把最后一个字节搬完后并不会直接回调HAL_UART_TxCpltCallback，而是干这么一件事——在UART_DMATransmitCplt里打开 USART1 的"发送完成 TC"中断：

// stm32f1xx_hal_uart.c 里的 UART_DMATransmitCplt（DMA 普通模式分支）ATOMIC_CLEAR_BIT(huart->Instance->CR3,USART_CR3_DMAT);// 关 DMA 请求ATOMIC_SET_BIT(huart->Instance->CR1,USART_CR1_TCIE);// 开 UART 的 TC 中断

然后等 UART 把最后一个字节真正移位发完，才由USART1 中断收尾：USART1_IRQHandler → HAL_UART_IRQHandler → UART_EndTransmit_IT → 回调 HAL_UART_TxCpltCallback。

我一开始只写了DMA1_Channel4_IRQHandler，没写USART1_IRQHandler，于是 DMA 搬完 → 打开 TC 中断 → 结果 USART1 中断没人接，程序直接卡死，所以只有第一句。补上这两处就好了：

/* MspInit 里，除了 DMA 中断，还要开 USART1 中断 */HAL_NVIC_SetPriority(DMA1_Channel4_IRQn,0,0);HAL_NVIC_EnableIRQ(DMA1_Channel4_IRQn);HAL_NVIC_SetPriority(USART1_IRQn,0,0);// 关键！不能少HAL_NVIC_EnableIRQ(USART1_IRQn);

/* stm32f1xx_it.c 里两个中断都得有 */voidDMA1_Channel4_IRQHandler(void){HAL_DMA_IRQHandler(&hdma_usart1_tx);}voidUSART1_IRQHandler(void){HAL_UART_IRQHandler(&huart1);}

补完就能看到计数#1 #2 #3 …一路狂飙了。

体会：HAL 库是"封装"不是"黑盒"，遇到异常就得敢去翻源码，把中断是怎么链起来的搞清楚，不然光靠猜能卡一晚上。

七、三种方式到底差在哪

三个版本波特率都是 115200（每个 bit 一样快），区别在"每句之间隔多久"以及"谁在搬数据"：

轮询 中断 DMA

| 接收 主循环主动查 硬件打断 （本实验只演示发送）
| 发送 CPU 阻塞发 CPU 阻塞发DMA 硬件搬
| 主循环 边发边查 只管发空的
| 每句间隔 200ms 200ms无延时，连发
| 输出速度 ~5 句/秒 ~5 句/秒几千句/秒

一句话：轮询是 CPU 追着数据跑，中断是数据到了把 CPU 拽过来，DMA 是数据自己搬、CPU 撒手不管。所以 DMA 版没有 200ms 延时、由硬件+中断连续接力，输出快了几百倍——这也是为什么老师问"DMA 输出为什么那么快"。

八、Keil 逻辑分析仪测波特率

配置步骤

没示波器也能看时序，Keil 自带软件仿真：

1. Options for Target → Debug左边选Use Simulator；
2. 仿真器的 Dialog DLL 填DARMSTM.DLL、参数-pSTM32F103C8（不填这个仿真器不会加载 STM32 外设模型，逻辑分析仪认不到引脚）；
3. F7 编译，Ctrl+F5进调试（纯仿真，不连 ST-Link），F5运行；
4. View → Analysis Windows → Logic Analyzer；
5. Setup 里加信号，Signal 填PORTA.9（PA9 = USART1_TX），Display Type 选Bit；
6. Run 看波形。

坑：逻辑分析仪报 Unknown Signal

两个原因我都踩了：

• 信号名写错：一开始填GPIOA->ODR，逻辑分析仪直接报Unknown Signal。Keil 的逻辑分析仪不认这种指针写法，要用它自己的端口命名PORTA.9（PORTA.x这种，跟 8051 的老命名一样）。
• DLL 没配：切到 Use Simulator 后，仿真器的 Dialog DLL 是空的，得手动补DARMSTM.DLL -pSTM32F103C8。

算波特率

PA9 空闲是高电平，发一个字符就是"拉低 1 bit（起始）→ 8 个数据位 → 拉高 1 bit（停止）"。量最窄的一段电平宽度就是 1 个 bit，实测约8.68µs。

理论也能精确算出来。USART1 在 APB2 上，PCLK2 = 72MHz：

波特率 = PCLK2 / (16 × USARTDIV) USARTDIV = 72000000 / (16 × 115200) = 39.0625

39.0625的整数部分 39 放进 BRR 的 12 位整数，小数 0.0625 = 1/16 正好放进 4 位小数位，所以BRR = 0x271，实际波特率：

72000000 / (16 × 39.0625) = 115200 （精确，误差 0%）

原因就是 72MHz/16 = 4.5MHz，被 39.0625 整除，而且 0.0625 正好是 1/16，4 位小数位能精确表示。实测 8.68µs 反推也是 115200，跟理论完全对上。

九、踩过的坑（汇总）

• 串口完全没反应：先查 CH340 模块插没插。设备管理器里 COM 口显示"幽灵设备"（CM_PROB_PHANTOM）就是模块没插到电脑。
• 烧录后不运行：Flash Download 里没勾Reset and Run，烧完芯片停在复位态。勾上，或烧完按一下板子 RESET。
• DMA 只发一句就停：缺USART1_IRQHandler（详见第六节，这个最隐蔽）。
• 逻辑分析仪 Unknown Signal：信号名用PORTA.9别用GPIOA->ODR，且 Dialog DLL 要配DARMSTM.DLL -pSTM32F103C8。
• Keil AC6 中文路径报错：用户名是中文的话，armclang 编译默认启动文件会报 “Unable to convert command-line to UTF-16”，用 GNU 语法启动文件 + MicroLIB 能绕开。

附：AI 在实验里帮了什么忙

这次实验我用了大模型 AI（Claude）辅助，主要帮了这些：

1. 讲原理：串口帧格式、TTL/RS232/RS485 区别、轮询/中断/DMA 三者区别，AI 用类比（“轮询像反复开门看快递，中断像快递按门铃”）讲得挺清楚。
2. 搭代码框架 + 注释：三个工程的 HAL 代码骨架和逐段中文注释，让我能看懂每行在干嘛。
3. 排错（帮最大）：几个坑都是它帮我定位的——串口没反应查出是 CH340 没插、烧录不运行是没勾 Reset and Run、DMA 只发一句是缺 USART1 中断（带我一起翻 HAL 源码）、逻辑分析仪 Unknown Signal 是信号名和 DLL 的问题。
4. 算波特率 + 整理文档：72MHz 下 115200 的 USARTDIV=39.0625、BRR=0x271 的完整推导，以及这份博客的结构。

反思：AI 的结论我没有全盘照抄，DMA 那个坑是跟着它一起读 HAL 源码、自己看懂中断链路才改对的。AI 能帮你更快定位问题、查资料、整理文档，但真正掌握原理、判断它说得对不对，还得靠自己去读代码、动手验证。合理用 AI 能省不少时间，但不能替代自己动手和思考。