1、電平標准
根據通訊使用的電平標准不同，串口通訊可分為TTL標准和RS-232標准，如下表：
從圖中可以看到，TTL電平標准使用5V表示高電平，使用0V表示低電平。在R232電平標准中，為了增加串口通訊的遠距離傳輸及抗干擾能力，使用的是-15V表示高電平，使用+15V表示低電平。如下圖為RS232和TLL電平標准表示同一個信號時的對比。
在電子電路中，一般使用TTL電平進行通訊，而在PC機中則使用RS232電平進行通訊。所以為了使電子設備可以和PC機進行串口通訊，必須對TTL電平和RS232電平的信號進行互相轉換。
2、串口協議
串口通訊的英文全稱為Serial Communication，這是一種在設備間非常常用的串行通訊方式。
串口通訊的協議，串口通訊的數據包由發送設備通過自身的TXD接口傳輸到接收設備的RXD接口。在串口通訊的協議中，規定了數據包的內容，該內容由起始位、數據位、校驗位以及停止位組成，通訊雙方的數據包格式要約定一致才能正常收發數據。格式如下圖：
在數據幀格式中，校驗位可以要也可以不要。
一般在串口通信中，空閑狀態下，IO口的電平為高電平。
3、串口波特率
串口通訊一般使用的是異步通訊，異步通訊是沒有時鍾信號的，為了保證兩個設備能夠正常通訊，必須在兩個設備間約定好收發的速率，波特率就是設備的收發速率，波特率表示的是單位時間內收發的bit位，即一個bit的收發時長。比如波特率為9600的設備，那么該設備1S的時間內可以收發9600個bit，發送一個bit的時長位1/9600≈104us。
4、數據幀的起始信號和停止信號
串口通訊的一個數據包是從起始信號開始的，直到停止信號結束。數據包的起始信號由一個邏輯0的數據位表示，而數據包的停止信號可由0.5、1、1.5或2個邏輯1的數據位表示。
有效數據：
在數據包的起始位之后緊接着的就是要傳輸的主體數據內容，也稱為有效數據，有效數據的長度常被約定位5、6、7或8位。
數據校驗：
在有效數據之后，有一個可選的數據校驗位，由於數據通信相對更容易受到外部干擾導致傳輸數據出現偏差，可以在傳輸過程中加上校驗位來解決這個問題，校驗方法有奇校驗、偶校驗、0校驗、1校驗及無校驗。
奇校驗要求有效數據和校驗位中“1”的個數為奇數，比如一個8位長的有效數據位：01101001，此時總共有4個“1”，為達到奇校驗的效果，校驗位為“1”，最后傳輸的數據將是8位的有效數據加上1位的校驗位總共9位。
偶校驗與奇校驗要求剛好相反，要求有效數據和校驗位中“1”的個數為偶數，比如數據幀：11001010，此時有效數據“1”的個數位4，所以偶校驗位為“0”。
0校驗是不管有效數據中的內容是什么，校驗位總為“0”。
1校驗是不管有效數據中的內容是什么，校驗位總為“1”。
5、UART和USART的區別
UART是指通用異步收發器，UASRT是指通用同步/異步收發器。從名稱上可是看出，USART是在UART基礎上增加了同步功能，即USART是UART的增強型。
STM32的USART一般做異步通信，即UART功能。
6、USART功能概述
使用USART雙向通信至少需要三個腳：GND、RX、TX。
RX：接收數據引腳，通過采樣技術來區別數據和噪音，從而恢復數據。
TX：發送數據引腳，當發送器被禁止時，輸出引腳恢復到它的IO端口配置。當發送器被激活，並且不發送數據時，TX引腳處於高電平，也就是說USART的空閑狀態的電平時高電平。這里需要注意一點的是，當與設備相連的時候，如果設備斷電，這需要將發送器禁止，使TX口輸出低電平，否者有可能引起IO口電流倒灌。
TX腳位在單線和智能卡模式里被同時用於數據的發送和接收。
USART總線在發送或接收前應處於空閑狀態，即高電平。
一個起始位，起始位為1。
一個數據字，可以使8位數據或9位數據。發送或接收數據的時候，是先發送或接收低位數據。
停止位可設置為0.5、1、1.5、2個停止位，發送或接收停止位說明數據幀發送或接收完成。
使用分數波特率發生器，由12位整數和4位小數組成。
一個狀態寄存器USART_SR
數據寄存器USART_DR
一個波特率寄存器USART_BRR，12位表示波特率的整數，4位表示波特率的小數。
一個智能卡模式下的保護時間寄存器USART_GTPR
USART的框圖如下：
7、STM32的USART波特率配置
STM32的每個串口都有一個獨立的波特率寄存器USART_BRR，該寄存器由USART分頻器除法因子USARTDIV的整數部分和小數部分組成。bit4~bit15這12位組成了整數部分DIV_Mantissa，bit0~bit3這4個位組成了分數部分DIV_Fraction。
波特率的計數公式 = CLK/(16*USARTDIV)。
CLK是USART的時鍾頻率，USART2、USART3、USART4、USART5使用的是APB1總線時鍾，一般是36MHZ（STM32F103系列）；而USART1則使用的是APB2總線時鍾，一般是72MHZ（STM32F103系列）。
可以根據需要的波特率的值換算出USARTDIV的值。比如設置波特率為9600，則USARTDIV為：
USARTDIV = CLK / (16 * 9600)
如果CLK = 72MHZ，則：
USARTDIV = 72000000/(16*9600) = 468.75
將小數部分換算為16進制：
DIV_Fraction = 0.75*16 = 12 = 0x0C
將整數部分轉為16進制：
DIV_Mantissa = 468 = 0x1D4
所以波特率寄存器USART_BRR的值為0x1D4C。
設置波特率時的誤差如下圖：
注意不要在通信過程中改變波特率寄存器的值。
8、USART中斷請求
USART中斷請求表：
USART中斷映像圖：
從中斷映像圖中可以看出，USART的各種中斷事件被連接到同一個中斷向量，也就是說USART產生的中斷都會進入到同一個中斷服務函數內。
各種中斷事件：
發送期間：發送完成、清除發送、發送數據。
接收期間：空閑總線檢測、溢出錯誤、接收數據寄存器非空、校驗錯誤、LIN斷開符號檢測、噪音標志（僅在多緩沖器通信）和幀錯誤（僅在多緩沖器通信）。
如果設置了對應的使能控制位，這些事件就可以產生各自的中斷，可以在中斷服務函數內通過判斷狀態寄存器的位來區分是哪個中斷。
9、USART寄存器
只說明一些用到的位。
USART_SR狀態寄存器：
Bit7 TXE位：當TDR寄存器中的數據被硬件轉移到移位寄存器的時候，TXE被硬件置位。
Bit6 TC位：當發送完一幀有效數據的時候，TC就會置位。
Bit5 RXNE位：當USART的RDR移位寄存器中的數據被轉移到USART_DR寄存器中時，RXNE位被置1，也就是收到數據的時候RXNE位被置1；如果USART_CR1寄存器中的RXNEIE使能，且USART的中斷使能，則產生中斷，就是所謂的接收中斷。RXNE位可以通過對USART_DR寄存器的讀取操作來清除，也可以對USART_SR寄存器的bit5寫0來清除。
USART_DR數據寄存器：
該寄存器用來發送和接收數據。
USART_BRR波特比率寄存器：
該寄存器用來設置USART的波特率。
USART_CR1控制寄存器：
Bit13 UE位：這個位用來使能和停止USART模塊，這有UE位被置1的時候，USART才能工作。
Bit12 M位：該位用來定義數據字的長度，當M=0時，數據字的長度為8個bit；當M=1時，數據字的長度為9個bit。
Bit10 PCE位：該位用來控制是否使用校驗，當PCE=0時，禁止校驗控制；當PCE=1時，使能校驗控制。
Bit9 PS位：該位用來選擇校驗方式，當PS=0時，使用偶校驗方式；當PS=1時，使用奇校驗。
Bit8 PEIE位：該位用來控制校驗錯誤中斷，當PEIE=0時，禁止校驗錯誤產生中斷；當PEIE=1時，使能校驗錯誤產生中斷。
Bit7 TXEIE位：這個是發送緩沖區空中斷使能位，當TXEIE=0時，禁止發送緩沖區空時產生中斷；當TXEIE=1時，使能發送緩沖區空時產生中斷。
Bit6 TCIE位：這個是發送完成 中斷使能，當TCIE=0時，禁止發送完成產生中斷；當TCIE=1時，使能發送完成產生中斷。
Bit5 RXNEIE位：這個是接收緩沖區非空中斷使能，當RXNEIE=0時，禁止接收完成時產生中斷；當RXNEIE=1時，使能接收完成時產生中斷。
Bit4 IDLEIE位：這個是IDLE總線空閑中斷使能位，當IDLEIE=0時，禁止檢測到總線空閑時產生中斷；當IDLEIE=1時，使能檢測到總線空閑時產生中斷。
Bit3 TE位：這個是發送使能位，當TE=0時，禁止USART發送數據；當TE=1時，使能USART發送數據。
Bit2 RE位：這個是接收使能位，當RE=0時，禁止USART接收數據；當RE=1時，使能USART接收數據。
這里主要區分發送緩沖區空和發送完成這兩個點，發送緩沖器空是指USART_DR寄存器的數值被硬件轉移到以為寄存器的時候，也就是說要發送的數值進入移位寄存器的時候，發送緩沖器空這個條件就會成立。而發送完成是指移位寄存器里的數據發送完成。
當將一個數據寫入USART_DR寄存器的時候，硬件將USART_DR寄存器的值送入移位寄存器，送完之后會置位USART_SR寄存器的bit7 TXE位，而當移位寄存器里的數值發送完成之后會置位USART_SR寄存器的bit6 TC位。
USART_CR2控制寄存器：
Bit12~Bit13 STOP位：這個是停止位長度的選擇位，當STOP=00時，使用1個停止位；當STOP=01時，使用0.5個停止位；當STOP=10時，使用2個停止位；當STOP=11時，使用1.5個停止位；
需要注意的是UART4和UART5不能使用0.5和1.5個停止位。
10、HAL庫操作USART
在工程之中添加stm32f1xx_hal_uart.c和stm32f1xx_hal_uart.h文件。
初始化代碼如下：
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()函數初始化USART設備。
從初始化代碼內，可以看到，需要選擇初始化的USART、波特率、USART的模式（接收和發送）、停止位長度的選擇、數據的長度選擇、校驗的選擇、硬件控制流的選擇。還需要設置USART的時鍾和腳位，但是HAL_UART_Init()函數內會調用USART的時鍾和腳位的初始化回調函數，可以在回調函數內設置腳位和時鍾。
初始化完USART之后，打開USART的接收中斷，由於HAL庫的接收程序比較復雜，這里直接調用宏__HAL_UART_ENABLE_IT(&UART_Handler, UART_IT_RXNE)來打開USART的接收中斷。
IO和RCC初始化函數如下：
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 }
這里注意的是RX腳，既可以設置成浮空輸入模式也可以設置成復用輸入模式，這兩個是一樣的。
中斷處理函數如下：
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 }
由於HAL庫的中斷服務處理比較繁瑣，這里直接讀取USART的中斷標志位來處理接收中斷。
收到數據到，通過讀取USART_DR寄存器的值來獲取接收到的數值，這里將接收到的數據再發送出去。
HAL庫中斷處理函數說明：
在HAL庫中斷處理中，進入中斷處理函數之后會調用HAL_UART_IRQHandler()函數，在HAL_UART_IRQHandler()函數內判斷是那種類型的中斷，然后去執行響應的操作。比如接收到數據后，會在HAL_UART_IRQHandler()函數內調用UART_Receive_IT()函數。
這里需要注意一個問題，在UART_Receive_IT()函數中，接收完成后會清除掉接收中斷的使能位，實際在用HAL庫來處理中斷的時候，接收中斷使能位莫名會被清掉。
在UART_Receive_IT()函數中會調用接收數據的回調函數HAL_UART_RxCpltCallback()來處理數據。
使用HAL_UART_Receive_IT(&UART_Handler,aRxBuffer,len)函數來接收數據的時候，如果數據長度不為1，則接收到1個數據的時候，不會進入到HAL_UART_RxCpltCallback()函數中，只有收到實際設置的數據長度時，才會進入HAL_UART_RxCpltCallback()函數。通過進入UART_Receive_IT()函數查看代碼的時候，會發現，當接收完實際設置的數據長度時，會清除掉接收中斷的使能位，這里需要小心，防止收到一次數據之后，不能再進入接收中斷。
添加支持printf()函數的代碼：
1 //加入以下代碼,支持printf函數,而不需要選擇use MicroLIB
2 #pragma import(__use_no_semihosting)
3 //標准庫需要的支持函數
4 struct __FILE 5 { 6 int handle; 7
8 }; 9
10 FILE __stdout; 11 //定義_sys_exit()以避免使用半主機模式
12 void _sys_exit(int x) 13 { 14 x = x; 15 } 16 //重定義fputc函數
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 }
加上以上代碼后就可以使用printf()函數發送UART數據了，比如printf("hello world!")。