从零开始掌握Keil5串口通信：STM32底层驱动实战指南

你是否曾在点亮LED后，卡在“下一步该做什么”的瓶颈期？
你是否面对Keil5复杂的工程配置和一堆寄存器感到无从下手？
你是否想让单片机真正“开口说话”，却不知道如何建立稳定的数据通道？

别担心。今天我们就来解决这个关键问题——用C语言在Keil5中实现STM32的串口通信。

这不是一份泛泛而谈的工具使用说明，而是一次深入硬件本质的实战演练。我们将绕过HAL库的封装，直接操作寄存器，带你理解每一行代码背后的物理意义。最终目标很明确：让你的STM32通过串口接收一个字符，并原样回传给电脑。

整个过程将在Keil MDK-ARM（即Keil5）环境下完成，适用于STM32F1系列（如经典型号STM32F103C8T6）。无论你是刚入门的新手，还是希望夯实基础的老手，这篇文章都会给你带来实实在在的价值。

为什么是Keil5？它真的值得学吗？

在嵌入式开发领域，IDE选择众多：IAR、GCC+Eclipse、VS Code+PlatformIO……但为何我们仍要聚焦于Keil5？

因为它依然是工业界最主流、资料最丰富、兼容性最好的ARM Cortex-M开发环境之一。

Keil5的核心优势在于它的成熟度与稳定性。Arm Compiler对Cortex-M内核做了深度优化，生成的代码紧凑高效；uVision5界面虽然不算现代，但功能完整、逻辑清晰；更重要的是，几乎所有国产MCU厂商（如GD32、APM32）都提供完整的Keil支持包。

而且对于初学者来说，Keil5的学习曲线相对平缓——你可以先专注于理解外设工作机制，而不必一开始就陷入Makefile、链接脚本、编译链配置等复杂细节中。

⚠️ 当然也有缺点：免费版限制代码大小为32KB，商业项目需授权；建议优先使用Arm Compiler 6以获得更好的C11标准支持和性能优化。

但这些都不是阻碍我们上手的理由。相反，正是因为它够“传统”，才更适合用来学习底层机制。

串口通信：嵌入式系统的“第一扇窗”

如果说GPIO控制LED是嵌入式开发的“Hello World”，那么串口通信就是你打开系统内部世界的“第一扇窗”。

UART（通用异步收发器）协议简单、资源占用少、调试方便，几乎每一块开发板都配备了至少一个串口。它不仅能用于打印日志、发送传感器数据，还能作为Bootloader升级接口、远程命令行入口，甚至是Modbus等工业协议的基础载体。

更重要的是，掌握串口意味着你开始真正理解时钟、中断、DMA、状态机这些核心概念的实际应用方式。

什么是UART？它怎么工作的？

UART是一种异步串行通信接口，只需要两根线就能完成全双工通信：
-TX：发送数据
-RX：接收数据

所谓“异步”，是指通信双方没有共享时钟线，而是依赖事先约定好的波特率（Baud Rate）来同步每一位的传输时间。例如115200bps表示每秒传送115200个符号。

典型帧格式为“8-N-1”：
- 1位起始位（低电平）
- 8位数据位（LSB先行）
- 无校验位
- 1位停止位（高电平）

只要两边设置一致，就可以可靠通信。当然，波特率误差最好控制在±2%以内，否则容易出现误码。

硬件准备与系统架构设计

我们的目标系统非常简洁：

[PC] ↓ (USB-TTL模块，如CH340G/CP2102) [TX ← PA10] [STM32F103C8T6] [PA9 → RX] ↓ [串口助手软件：XCOM / SSCOM / Tera Term]

MCU负责初始化USART1外设，开启接收中断。一旦收到数据，立即触发中断服务程序，读取并回传。

主循环则可以继续执行其他任务，比如闪烁LED或采集ADC值——这正是中断机制的魅力所在。

第一步：搭建Keil5工程框架

打开Keil uVision5，新建一个工程：

1. Project → New uVision Project，保存路径不要含中文；
2. 选择芯片型号：STMicroelectronics → STM32F103C8；
3. Keil会提示是否添加启动文件，点击“是”；
4. 创建新组：Source（存放.c文件）、Inc（头文件）、Startup（启动代码）；
5. 将startup_stm32f103xb.s加入Startup组；
6. 新建main.c、usart.c、usart.h，分别加入对应组。

此时你的工程结构应该像这样：

Project ├── Source │ ├── main.c │ └── usart.c ├── Inc │ └── usart.h └── Startup └── startup_stm32f103xb.s

接下来，我们要做的不是写代码，而是搞清楚一件事：芯片是怎么被唤醒的？

启动流程解析：从复位到main函数

当你按下复位按钮，CPU并不是直接跳转到main()函数。中间有一个关键过程：

1. CPU从Flash首地址读取栈顶指针（SP），通常是0x2000_0000附近；
2. 再读取复位向量，跳转到Reset_Handler；
3. 执行SystemInit() —— 这是由Keil提供的默认函数，配置HSE、PLL，将系统时钟升至72MHz；
4. 最终调用__main，由编译器运行库引导进入用户main()函数。

这意味着：在你写下第一行C代码前，系统时钟已经准备就绪。这对后续外设初始化至关重要。

核心难点突破一：GPIO复用与时钟使能

STM32的强大之处在于其高度灵活的引脚复用机制。比如PA9和PA10，默认是普通GPIO，但我们可以通过配置让它变成USART1的TX/RX引脚。

但这需要两个前提条件：
1.必须先开启对应总线时钟，否则无法访问寄存器；
2.必须正确配置复用功能编号（AF），否则信号不会连通。

关键寄存器一览

注意：STM32F103属于较早系列，GPIO时钟位于APB2而非AHB1，因此应使用RCC->APB2ENR |= RCC_APB2ENR_IOPAEN;

实战代码：手动配置PA9(TX)和PA10(RX)

// usart.c #include "stm32f10x.h" void GPIO_UART_Init(void) { // Step 1: 使能GPIOA和USART1时钟 RCC->APB2ENR |= RCC_APB2ENR_IOPAEN | RCC_APB2ENR_USART1EN; // ------------------- 配置PA9为USART1_TX --------------------- // MODER: 清除原有设置，设为复用推挽输出 GPIOA->MODER &= ~GPIO_MODER_MODER9_Msk; GPIOA->MODER |= GPIO_MODER_MODER9_1; // 复用模式(10) GPIOA->OTYPER &= ~GPIO_OTYPER_OT_9; // 推挽输出 GPIOA->OSPEEDR |= GPIO_OSPEEDER_OSPEEDR9_1; // 高速(50MHz) GPIOA->PUPDR &= ~GPIO_PUPDR_PUPDR9_Msk; // 无上下拉 // AFR[1]: 因为PA9 > 7，所以使用AFRH寄存器 GPIOA->AFR[1] |= (7U << (9 - 8)*4); // PA9 -> AF7 (USART1) // ------------------- 配置PA10为USART1_RX -------------------- GPIOA->MODER &= ~GPIO_MODER_MODER10_Msk; GPIOA->MODER |= GPIO_MODER_MODER10_1; // 复用模式 GPIOA->PUPDR |= GPIO_PUPDR_PUPDR10_0; // 上拉（增强抗干扰） GPIOA->AFR[1] |= (7U << (10 - 8)*4); // PA10 -> AF7 }

✅ 小贴士：复用功能编号必须查手册确认。STM32F103中，USART1映射到AF7。

这段代码看似繁琐，但它让你彻底掌握了硬件控制权。相比HAL库的一句HAL_UART_Init()，这种方式更能帮助你理解“为什么”。

核心难点突破二：USART初始化与波特率计算

接下来我们配置USART1本身。

主要涉及三个寄存器：
-USART1->BRR：波特率寄存器（形如DIV_Mantissa | (DIV_Fraction << 4)）
-USART1->CR1：控制寄存器1，启用发送/接收
-USART1->SR：状态寄存器，反映当前通信状态

波特率怎么算？

公式如下：

Baud = f_PCLK / (16 * USARTDIV)

其中PCLK2通常为72MHz（APB2挂载高速外设），若要得到115200bps：

USARTDIV = 72000000 / (16 * 115200) ≈ 39.0625 → 整数部分 = 39, 小数部分 = 0.0625 × 16 ≈ 1 → BRR = 0x271

我们可以写成宏定义：

#define UART_BAUDRATE 115200 #define PCLK2_FREQ 72000000UL #define USART_DIV (PCLK2_FREQ + UART_BAUDRATE / 2) / (16 * UART_BAUDRATE) #define USART_BRR ((USART_DIV << 4) | (((PCLK2_FREQ * 10 / (16 * UART_BAUDRATE)) % 10) >= 5 ? 1 : 0))

不过更简单的做法是直接赋值：

USART1->BRR = 0x271; // 对应115200bps @72MHz PCLK2

初始化函数实现

void USART1_Init(uint32_t baudrate) { // 已在GPIO_UART_Init中开启时钟 GPIO_UART_Init(); // 计算BRR（简化处理，固定72MHz） uint32_t brr = 72000000 / (16 * baudrate); USART1->BRR = (brr << 4) | ((72000000 * 10 / (16 * baudrate)) % 10 >= 5 ? 1 : 0); // CR1配置：使能UE(使能UART), RE(接收), TE(发送) USART1->CR1 = USART_CR1_UE | USART_CR1_RE | USART_CR1_TE; // 可在此处使能中断（也可单独函数） }

核心难点突破三：NVIC中断配置与ISR编写

轮询方式太浪费CPU。我们采用中断驱动模式，当接收到数据时自动触发处理。

中断使能步骤

1. 在USART控制寄存器中使能RXNE中断；
2. 配置NVIC优先级；
3. 开启全局中断通道。

void USART_EnableInterrupt(void) { // 使能接收中断 USART1->CR1 |= USART_CR1_RXNEIE; // 设置优先级（抢占优先级2，子优先级0） NVIC_SetPriority(USART1_IRQn, NVIC_EncodePriority(NVIC_GetPriorityGrouping(), 2, 0)); // 使能NVIC中断源 NVIC_EnableIRQ(USART1_IRQn); }

编写中断服务函数

注意：中断函数名必须与启动文件中的向量表一致！

查看startup_stm32f103xb.s可知，USART1的中断服务函数名为：

DCD USART1_IRQHandler

所以我们必须定义同名函数：

// usart.c extern void USART_SendByte(USART_TypeDef* USARTx, uint8_t ch); // 声明发送函数 void USART1_IRQHandler(void) { if (USART1->SR & USART_SR_RXNE) { // 接收数据寄存器非空？ uint8_t ch = USART1->DR; // 读DR自动清标志 USART_SendByte(USART1, ch); // 回显 } // 其他中断标志可在此扩展（如错误处理） }

发送函数实现

void USART_SendByte(USART_TypeDef* USARTx, uint8_t ch) { while (!(USARTx->SR & USART_SR_TXE)); // 等待发送寄存器空 USARTx->DR = ch; } void USART_SendString(USART_TypeDef* USARTx, const char* str) { while (*str) { USART_SendByte(USARTx, *str++); } }

主函数整合：构建完整通信系统

现在回到main.c，把所有模块串联起来：

// main.c #include "stm32f10x.h" #include "usart.h" int main(void) { SystemInit(); // Keil提供，设置系统时钟为72MHz USART1_Init(115200); // 初始化串口 USART_EnableInterrupt(); // 启用接收中断 USART_SendString(USART1, "Serial Communication Ready!\r\n"); while (1) { // 主循环可执行其他任务 // 如LED闪烁、ADC采样、PWM输出等 } }

编译、下载、打开串口助手（波特率115200，8-N-1），发送任意字符，你应该能看到相同字符被返回。

恭喜！你刚刚完成了第一个真正的嵌入式通信功能。

常见坑点与调试秘籍

❌ 问题1：串口没反应？什么也收不到！

检查以下几点：
-TX/RX是否交叉连接？MCU-TX → PC-RX，不能直连；
-电平是否匹配？STM32是3.3V TTL，若接RS232需加MAX3232转换；
-时钟开了吗？忘记开GPIO或USART时钟是最常见错误；
-复用功能选错了吗？查手册确认AF编号；
-波特率偏差太大？使用标准值如9600、115200，避免自定义频率。

❌ 问题2：收到乱码？

多半是波特率不匹配。确保：
- PCLK计算准确；
- PLL倍频正确（SystemInit后应为72MHz）；
- 串口助手设置与代码一致。

可用示波器抓TX波形，测量位宽验证。

❌ 问题3：中断进不去？

• 检查NVIC_EnableIRQ()是否调用；
• 是否忘记使能USART_CR1_RXNEIE；
• 中断函数名拼写错误（区分大小写）；
• 优先级分组冲突（一般不用改，默认即可）。

总结与延伸思考

通过本次实践，我们不仅实现了串口回环功能，更重要的是建立了完整的知识链条：

• Keil5工程创建流程
• 启动文件与系统初始化机制
• GPIO复用配置方法
• USART工作原理与寄存器操作
• NVIC中断管理与ISR编写规范

这些技能构成了嵌入式开发的基石。下一步你可以尝试：
- 加入DMA实现零负载数据接收；
- 实现简单的AT指令解析；
- 使用串口打印浮点数或结构体数据；
- 移植到FreeRTOS中作为日志输出通道。

如果你正在学习嵌入式，不妨把这篇文章收藏下来。下次遇到串口问题时，试着不用HAL库，回归寄存器层面去排查。你会发现，那些曾经神秘的“黑盒”，其实都有迹可循。

毕竟，真正的工程师，不仅要会“用工具”，更要懂“背后发生了什么”。

如果你在实现过程中遇到了挑战，欢迎在评论区留言交流。我们一起把每一个bug变成成长的机会。