1、电平标准
根据通讯使用的电平标准不同，串口通讯可分为TTL标准和RS-232标准，如下表：
从图中可以看到，TTL电平标准使用5V表示高电平，使用0V表示低电平。在R232电平标准中，为了增加串口通讯的远距离传输及抗干扰能力，使用的是-15V表示高电平，使用+15V表示低电平。如下图为RS232和TLL电平标准表示同一个信号时的对比。
在电子电路中，一般使用TTL电平进行通讯，而在PC机中则使用RS232电平进行通讯。所以为了使电子设备可以和PC机进行串口通讯，必须对TTL电平和RS232电平的信号进行互相转换。
2、串口协议
串口通讯的英文全称为Serial Communication，这是一种在设备间非常常用的串行通讯方式。
串口通讯的协议，串口通讯的数据包由发送设备通过自身的TXD接口传输到接收设备的RXD接口。在串口通讯的协议中，规定了数据包的内容，该内容由起始位、数据位、校验位以及停止位组成，通讯双方的数据包格式要约定一致才能正常收发数据。格式如下图：
在数据帧格式中，校验位可以要也可以不要。
一般在串口通信中，空闲状态下，IO口的电平为高电平。
3、串口波特率
串口通讯一般使用的是异步通讯，异步通讯是没有时钟信号的，为了保证两个设备能够正常通讯，必须在两个设备间约定好收发的速率，波特率就是设备的收发速率，波特率表示的是单位时间内收发的bit位，即一个bit的收发时长。比如波特率为9600的设备，那么该设备1S的时间内可以收发9600个bit，发送一个bit的时长位1/9600≈104us。
4、数据帧的起始信号和停止信号
串口通讯的一个数据包是从起始信号开始的，直到停止信号结束。数据包的起始信号由一个逻辑0的数据位表示，而数据包的停止信号可由0.5、1、1.5或2个逻辑1的数据位表示。
有效数据：
在数据包的起始位之后紧接着的就是要传输的主体数据内容，也称为有效数据，有效数据的长度常被约定位5、6、7或8位。
数据校验：
在有效数据之后，有一个可选的数据校验位，由于数据通信相对更容易受到外部干扰导致传输数据出现偏差，可以在传输过程中加上校验位来解决这个问题，校验方法有奇校验、偶校验、0校验、1校验及无校验。
奇校验要求有效数据和校验位中“1”的个数为奇数，比如一个8位长的有效数据位：01101001，此时总共有4个“1”，为达到奇校验的效果，校验位为“1”，最后传输的数据将是8位的有效数据加上1位的校验位总共9位。
偶校验与奇校验要求刚好相反，要求有效数据和校验位中“1”的个数为偶数，比如数据帧：11001010，此时有效数据“1”的个数位4，所以偶校验位为“0”。
0校验是不管有效数据中的内容是什么，校验位总为“0”。
1校验是不管有效数据中的内容是什么，校验位总为“1”。
5、UART和USART的区别
UART是指通用异步收发器，UASRT是指通用同步/异步收发器。从名称上可是看出，USART是在UART基础上增加了同步功能，即USART是UART的增强型。
STM32的USART一般做异步通信，即UART功能。
6、USART功能概述
使用USART双向通信至少需要三个脚：GND、RX、TX。
RX：接收数据引脚，通过采样技术来区别数据和噪音，从而恢复数据。
TX：发送数据引脚，当发送器被禁止时，输出引脚恢复到它的IO端口配置。当发送器被激活，并且不发送数据时，TX引脚处于高电平，也就是说USART的空闲状态的电平时高电平。这里需要注意一点的是，当与设备相连的时候，如果设备断电，这需要将发送器禁止，使TX口输出低电平，否者有可能引起IO口电流倒灌。
TX脚位在单线和智能卡模式里被同时用于数据的发送和接收。
USART总线在发送或接收前应处于空闲状态，即高电平。
一个起始位，起始位为1。
一个数据字，可以使8位数据或9位数据。发送或接收数据的时候，是先发送或接收低位数据。
停止位可设置为0.5、1、1.5、2个停止位，发送或接收停止位说明数据帧发送或接收完成。
使用分数波特率发生器，由12位整数和4位小数组成。
一个状态寄存器USART_SR
数据寄存器USART_DR
一个波特率寄存器USART_BRR，12位表示波特率的整数，4位表示波特率的小数。
一个智能卡模式下的保护时间寄存器USART_GTPR
USART的框图如下：
7、STM32的USART波特率配置
STM32的每个串口都有一个独立的波特率寄存器USART_BRR，该寄存器由USART分频器除法因子USARTDIV的整数部分和小数部分组成。bit4~bit15这12位组成了整数部分DIV_Mantissa，bit0~bit3这4个位组成了分数部分DIV_Fraction。
波特率的计数公式 = CLK/(16*USARTDIV)。
CLK是USART的时钟频率，USART2、USART3、USART4、USART5使用的是APB1总线时钟，一般是36MHZ（STM32F103系列）；而USART1则使用的是APB2总线时钟，一般是72MHZ（STM32F103系列）。
可以根据需要的波特率的值换算出USARTDIV的值。比如设置波特率为9600，则USARTDIV为：
USARTDIV = CLK / (16 * 9600)
如果CLK = 72MHZ，则：
USARTDIV = 72000000/(16*9600) = 468.75
将小数部分换算为16进制：
DIV_Fraction = 0.75*16 = 12 = 0x0C
将整数部分转为16进制：
DIV_Mantissa = 468 = 0x1D4
所以波特率寄存器USART_BRR的值为0x1D4C。
设置波特率时的误差如下图：
注意不要在通信过程中改变波特率寄存器的值。
8、USART中断请求
USART中断请求表：
USART中断映像图：
从中断映像图中可以看出，USART的各种中断事件被连接到同一个中断向量，也就是说USART产生的中断都会进入到同一个中断服务函数内。
各种中断事件：
发送期间：发送完成、清除发送、发送数据。
接收期间：空闲总线检测、溢出错误、接收数据寄存器非空、校验错误、LIN断开符号检测、噪音标志（仅在多缓冲器通信）和帧错误（仅在多缓冲器通信）。
如果设置了对应的使能控制位，这些事件就可以产生各自的中断，可以在中断服务函数内通过判断状态寄存器的位来区分是哪个中断。
9、USART寄存器
只说明一些用到的位。
USART_SR状态寄存器：
Bit7 TXE位：当TDR寄存器中的数据被硬件转移到移位寄存器的时候，TXE被硬件置位。
Bit6 TC位：当发送完一帧有效数据的时候，TC就会置位。
Bit5 RXNE位：当USART的RDR移位寄存器中的数据被转移到USART_DR寄存器中时，RXNE位被置1，也就是收到数据的时候RXNE位被置1；如果USART_CR1寄存器中的RXNEIE使能，且USART的中断使能，则产生中断，就是所谓的接收中断。RXNE位可以通过对USART_DR寄存器的读取操作来清除，也可以对USART_SR寄存器的bit5写0来清除。
USART_DR数据寄存器：
该寄存器用来发送和接收数据。
USART_BRR波特比率寄存器：
该寄存器用来设置USART的波特率。
USART_CR1控制寄存器：
Bit13 UE位：这个位用来使能和停止USART模块，这有UE位被置1的时候，USART才能工作。
Bit12 M位：该位用来定义数据字的长度，当M=0时，数据字的长度为8个bit；当M=1时，数据字的长度为9个bit。
Bit10 PCE位：该位用来控制是否使用校验，当PCE=0时，禁止校验控制；当PCE=1时，使能校验控制。
Bit9 PS位：该位用来选择校验方式，当PS=0时，使用偶校验方式；当PS=1时，使用奇校验。
Bit8 PEIE位：该位用来控制校验错误中断，当PEIE=0时，禁止校验错误产生中断；当PEIE=1时，使能校验错误产生中断。
Bit7 TXEIE位：这个是发送缓冲区空中断使能位，当TXEIE=0时，禁止发送缓冲区空时产生中断；当TXEIE=1时，使能发送缓冲区空时产生中断。
Bit6 TCIE位：这个是发送完成 中断使能，当TCIE=0时，禁止发送完成产生中断；当TCIE=1时，使能发送完成产生中断。
Bit5 RXNEIE位：这个是接收缓冲区非空中断使能，当RXNEIE=0时，禁止接收完成时产生中断；当RXNEIE=1时，使能接收完成时产生中断。
Bit4 IDLEIE位：这个是IDLE总线空闲中断使能位，当IDLEIE=0时，禁止检测到总线空闲时产生中断；当IDLEIE=1时，使能检测到总线空闲时产生中断。
Bit3 TE位：这个是发送使能位，当TE=0时，禁止USART发送数据；当TE=1时，使能USART发送数据。
Bit2 RE位：这个是接收使能位，当RE=0时，禁止USART接收数据；当RE=1时，使能USART接收数据。
这里主要区分发送缓冲区空和发送完成这两个点，发送缓冲器空是指USART_DR寄存器的数值被硬件转移到以为寄存器的时候，也就是说要发送的数值进入移位寄存器的时候，发送缓冲器空这个条件就会成立。而发送完成是指移位寄存器里的数据发送完成。
当将一个数据写入USART_DR寄存器的时候，硬件将USART_DR寄存器的值送入移位寄存器，送完之后会置位USART_SR寄存器的bit7 TXE位，而当移位寄存器里的数值发送完成之后会置位USART_SR寄存器的bit6 TC位。
USART_CR2控制寄存器：
Bit12~Bit13 STOP位：这个是停止位长度的选择位，当STOP=00时，使用1个停止位；当STOP=01时，使用0.5个停止位；当STOP=10时，使用2个停止位；当STOP=11时，使用1.5个停止位；
需要注意的是UART4和UART5不能使用0.5和1.5个停止位。
10、HAL库操作USART
在工程之中添加stm32f1xx_hal_uart.c和stm32f1xx_hal_uart.h文件。
初始化代码如下：
1 UART_HandleTypeDef UART_Handler;
2
3 uint8_t aRxBuffer;
4
5 void USART_Init(void)
6 {
7
8 UART_Handler.Instance = USART1;
9 UART_Handler.Init.BaudRate = 9600;
10 UART_Handler.Init.Mode = UART_MODE_TX_RX;
11 UART_Handler.Init.StopBits = UART_STOPBITS_1;
12 UART_Handler.Init.WordLength = UART_WORDLENGTH_8B;
13 UART_Handler.Init.Parity = UART_PARITY_NONE;
14 UART_Handler.Init.HwFlowCtl = UART_HWCONTROL_NONE;
15 HAL_UART_Init(&UART_Handler);
16
17 //HAL_UART_Receive_IT(&UART_Handler,aRxBuffer,2);
18 __HAL_UART_ENABLE_IT(&UART_Handler, UART_IT_RXNE);
19
20 HAL_NVIC_SetPriority(USART1_IRQn,2,1);
21 HAL_NVIC_EnableIRQ(USART1_IRQn);
22
23 }
使用HAL_UART_Init()函数初始化USART设备。
从初始化代码内，可以看到，需要选择初始化的USART、波特率、USART的模式（接收和发送）、停止位长度的选择、数据的长度选择、校验的选择、硬件控制流的选择。还需要设置USART的时钟和脚位，但是HAL_UART_Init()函数内会调用USART的时钟和脚位的初始化回调函数，可以在回调函数内设置脚位和时钟。
初始化完USART之后，打开USART的接收中断，由于HAL库的接收程序比较复杂，这里直接调用宏__HAL_UART_ENABLE_IT(&UART_Handler, UART_IT_RXNE)来打开USART的接收中断。
IO和RCC初始化函数如下：
1 void HAL_UART_MspInit(UART_HandleTypeDef *husart)
2 {
3 GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStruct;
4
5 __HAL_RCC_GPIOA_CLK_ENABLE();
6 __HAL_RCC_USART1_CLK_ENABLE();
7
8 GPIO_InitStruct.Pin = GPIO_PIN_9;
9 GPIO_InitStruct.Mode = GPIO_MODE_AF_PP;
10 GPIO_InitStruct.Pull = GPIO_NOPULL;
11 GPIO_InitStruct.Speed = GPIO_SPEED_FREQ_HIGH;
12 HAL_GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStruct);
13
14 GPIO_InitStruct.Pin = GPIO_PIN_10;
15 GPIO_InitStruct.Mode = GPIO_MODE_INPUT;
16 GPIO_InitStruct.Pull = GPIO_NOPULL;
17 GPIO_InitStruct.Speed = GPIO_SPEED_FREQ_HIGH;
18 HAL_GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStruct);
19
20 }
这里注意的是RX脚，既可以设置成浮空输入模式也可以设置成复用输入模式，这两个是一样的。
中断处理函数如下：
1 void USART1_IRQHandler(void)
2 {
3 //HAL_UART_IRQHandler(&UART_Handler);
4
5 if(__HAL_UART_GET_FLAG(&UART_Handler,UART_FLAG_RXNE))
6 {
7 aRxBuffer = UART_Handler.Instance->DR;
8 HAL_UART_Transmit(&UART_Handler,&aRxBuffer,1,1000);
9 }
10 }
由于HAL库的中断服务处理比较繁琐，这里直接读取USART的中断标志位来处理接收中断。
收到数据到，通过读取USART_DR寄存器的值来获取接收到的数值，这里将接收到的数据再发送出去。
HAL库中断处理函数说明：
在HAL库中断处理中，进入中断处理函数之后会调用HAL_UART_IRQHandler()函数，在HAL_UART_IRQHandler()函数内判断是那种类型的中断，然后去执行响应的操作。比如接收到数据后，会在HAL_UART_IRQHandler()函数内调用UART_Receive_IT()函数。
这里需要注意一个问题，在UART_Receive_IT()函数中，接收完成后会清除掉接收中断的使能位，实际在用HAL库来处理中断的时候，接收中断使能位莫名会被清掉。
在UART_Receive_IT()函数中会调用接收数据的回调函数HAL_UART_RxCpltCallback()来处理数据。
使用HAL_UART_Receive_IT(&UART_Handler,aRxBuffer,len)函数来接收数据的时候，如果数据长度不为1，则接收到1个数据的时候，不会进入到HAL_UART_RxCpltCallback()函数中，只有收到实际设置的数据长度时，才会进入HAL_UART_RxCpltCallback()函数。通过进入UART_Receive_IT()函数查看代码的时候，会发现，当接收完实际设置的数据长度时，会清除掉接收中断的使能位，这里需要小心，防止收到一次数据之后，不能再进入接收中断。
添加支持printf()函数的代码：
1 //加入以下代码,支持printf函数,而不需要选择use MicroLIB
2 #pragma import(__use_no_semihosting)
3 //标准库需要的支持函数
4 struct __FILE
5 {
6 int handle;
7
8 };
9
10 FILE __stdout;
11 //定义_sys_exit()以避免使用半主机模式
12 void _sys_exit(int x)
13 {
14 x = x;
15 }
16 //重定义fputc函数
17 int fputc(int ch, FILE *f)
18 {
19 while(__HAL_UART_GET_FLAG(&UART_Handler,UART_FLAG_TC) == RESET){};
20
21 UART_Handler.Instance->DR = (uint8_t) ch;
22
23 return ch;
24 }
加上以上代码后就可以使用printf()函数发送UART数据了，比如printf("hello world!")。