USART — printf 重定向到串口

难度: ⭐（入门必学）
固件库: AT32F403A_407_Firmware_Library V2.2.2
源文件: project/at_start_f403a/examples/usart/printf/src/main.c

这个实验是干嘛的？

做嵌入式开发，最头疼的就是"程序跑起来了，但不知道里面发生了什么"。

在电脑上编程，你可以用 print() 打印变量值来调试。MCU 没有屏幕怎么办？

答案是：用串口把 printf 的输出发到电脑上。

这个实验教你把 C 语言的 printf 函数"重定向"到 USART 串口。之后你就可以在代码任意位置写 printf("温度=%d", temp)，电脑串口助手就能看到输出。

这是嵌入式开发最常用、最实用的调试手段，没有之一。

硬件准备

你需要一个 USB 转串口模块（几块钱一个）：

接线方式（3 根线）：

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开发板          USB转串口模块
  TX  ─────────→  RX
  RX  ←─────────  TX
  GND ──────────  GND

注意：TX 接 RX，RX 接 TX，要交叉！GND 必须共地。

串口助手软件

电脑端需要一个串口助手来查看输出：

打开串口助手，选择正确的 COM 口（设备管理器里看），设置：

• 波特率：115200
• 数据位：8
• 停止位：1
• 校验位：None

完整代码

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#include "at32f403a_407_board.h"
#include "at32f403a_407_clock.h"

/* volatile 修饰，告诉编译器这个变量可能被中断修改，不要优化掉 */
__IO uint32_t time_cnt = 0;

int main(void)
{
  /* 第一步：系统时钟初始化 */
  system_clock_config();

  /* 第二步：板级初始化（LED、按键等） */
  at32_board_init();

  /* 第三步：串口初始化，波特率 115200 */
  uart_print_init(115200);

  /* 第四步：用 printf 打印一条启动消息 */
  printf("usart printf example: retarget the c library printf function to the usart\r\n");

  /* 第五步：主循环，每秒打印一次计数器 */
  while(1)
  {
    printf("usart printf counter: %u\r\n", time_cnt++);
    delay_sec(1);   // 等 1 秒
  }
}

代码逐行讲解

1. 头文件

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#include "at32f403a_407_board.h"   // 板级支持包，包含 uart_print_init() 等
#include "at32f403a_407_clock.h"   // 时钟配置

2. 全局变量

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__IO uint32_t time_cnt = 0;

• __IO 是 volatile 的宏定义，表示这个变量可能被意外修改（比如中断里），编译器不要做优化
• 如果不加 __IO，编译器可能把 time_cnt++ 优化掉，你就看不到计数器变化了

3. 串口初始化

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uart_print_init(115200);

这行代码做了两件事：

1. 配置 USART1：设置波特率 115200、8 数据位、无校验、1 停止位
2. 重定向 printf：把 printf 的输出接到 USART1 的发送引脚

波特率 115200 意味着每秒可以传输约 11520 个字节（每个字节 10 bit），足够打印调试信息了。

4. printf 输出

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printf("usart printf counter: %u\r\n", time_cnt++);

• %u — 无符号整数格式
• \r\n — 回车换行（串口助手需要这个才能正确显示）
• time_cnt++ — 先打印值，再自增

5. 延时

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delay_sec(1);   // 等 1 秒

如果不加延时，printf 会以 MCU 的速度疯狂输出，串口助手会收到一大堆数据。

printf 重定向的原理（进阶）

uart_print_init() 内部做了什么？其实很简单：

在 C 标准库里，printf 最终会调用一个叫 fputc 的函数来输出每个字符。我们只需要重写这个函数，让它把字符发到串口：

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// 这段代码在 at32f403a_407_board.c 里，你不用自己写
int fputc(int ch, FILE *f)
{
  // 把字符 ch 通过 USART1 发出去
  usart_data_transmit(USART1, (uint16_t)ch);
  // 等待发送完成
  while(usart_flag_get(USART1, USART_TDC_FLAG) == RESET);
  return ch;
}

这就是"重定向"的全部秘密：替换 fputc，把输出目标从屏幕改成串口。

常用 printf 格式

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printf("十进制: %d\n", 123);          // 十进制: 123
printf("十六进制: 0x%X\n", 0xFF);     // 十六进制: 0xFF
printf("浮点数: %.2f\n", 3.14);       // 浮点数: 3.14
printf("字符串: %s\n", "hello");      // 字符串: hello
printf("温度=%d, 湿度=%d\n", 25, 60); // 同时打印多个变量

实验现象

1. 编译、下载程序
2. 打开串口助手，选择正确的 COM 口，波特率 115200
3. 应该看到：

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usart printf example: retarget the c library printf function to the usart
usart printf counter: 0
usart printf counter: 1
usart printf counter: 2
...

每秒打印一行，计数器递增。

常见问题

Q: 串口助手收不到数据？

1. 检查 COM 口是否选对（设备管理器里看）
2. 波特率是否 115200
3. TX/RX 是否交叉连接
4. GND 是否共地
5. 程序是否下载成功

Q: 收到乱码？

• 波特率不匹配！代码里是 115200，串口助手也要设 115200
• 如果时钟配置不对，实际波特率会偏移，也会乱码

Q: 只能用 USART1 吗？

• uart_print_init() 默认用 USART1
• 如果想用其他串口（如 USART2），需要自己修改 fputc 函数

小结

学了串口能做什么？

串口是嵌入式开发的"万能接口"——调试、通信、联网都靠它：

调试与监控

通信与控制

实际应用场景

• 智能家居：MCU + ESP8266 + 串口 → 手机远程控制家电
• 工业采集：MCU + RS485 + 串口 → 采集温湿度传感器数据上传
• 无人机：MCU + GPS + 串口 → 获取位置信息
• 调试一切：无论做什么项目，串口 printf 都是你的"眼睛"

核心思路：串口就是 MCU 的"嘴巴"和"耳朵"。能说（printf 发数据）能听（接收指令），就能和电脑、手机、其他设备对话。

下一步：学会了串口打印，接下来可以学 ADC 采样，用 printf 把 ADC 采样值打印出来。