MDK：Keil 5.30 开发板：GD32F207I-EVAL MCU：GD32F207IK
10.1串口简介
USART(Universal Synchronous Asynchronous Receiver and Transmitter，通用同步-异步接收发射器)为工业标准的使用提供了灵活的方法NRZ外部设备之间的异步串行数据格式进行全双工数据交换。USART利用分数波特率发生器提供广泛的波特率选择。支持同步单向通信和半双工单线通信LIN(局部互联网)、智能卡协议和IrDA(红外数据组织)SIR ENDEC规范和调制解调器(CTS/RTS)操作。它还允许多处理器通信。配置多缓冲器DMA可实现高速数据通信。
虽然USART它可以同步或异步，但最常用的是使用功能的异步功能。如果它被用作异步通信UART（Universal Asynchronous Receiver and Transmitter），可以说，UART是USART子集，但同步通信比异步通信多了一个时钟同步信号线。
以下是同步和异步的简要介绍。
在同步通信中，收发设备双方将使用信号线来表示时钟信号。在时钟信号的驱动下，双方将协调并同步数据，见下图。在通信中，双方通常规定在时钟信号的上下沿采样数据线。
时钟信号不用于异步通信中的数据同步。它们直接穿插数据信号中的一些同步信号位置，或包装主数据，以数据帧的形式传输数据。如下图所示，一些通信还需要双方同意数据的传输速率，以便更好地同步。
在同步通信中，数据信号传输的大部分内容是有效数据，而异步通信将包含帧的各种识别符，因此同步通信更有效，但同步通信双方的时钟允许误差较小，而异步通信双方的时钟允许误差较大。
从以上介绍可以看出，USART同步通信需要时钟同步信号，但不需要额外的开始和停止，以实现更快的传输速度。USART控制起来比较复杂，所以本文主要讲解异步通信。
异步串行通信以字符为单位，即一个字符传输 。
串口外设的架构图看起来非常复杂。事实上，对于软件开发人员，我们只需要对串口发送过程有一个大致的了解。从下到上，我们可以看到串口外设主要由波特率控制、收发控制和数据存储转移三部分组成。
波特率，即每秒传输的二进制位数b/s（bps）波特率可以通过控制时钟来改变。在配置波特率时，我们向波特比率寄存器 USART_BAUD写入参数，修改串口时钟的分频值USARTDIV。USART_BAUD寄存器包括两部分，即INTDIV（USARTDIV )和FRADIV（USARTDIV 最后，计算公式是 USARTDIV= INTDIV （FRADIV/16）。
USARTDIV 串口外设外设的时钟源，USART0/5系统时钟为PCLK2， USART1/2和UART系统时钟为3/4/6/7PCLK1.串口的时钟源经过 USARTDIV 分频后分别输出作为发送器时钟和接收器时钟，控制发送和接收时间。在使能USART系统时钟必须在时钟控制单元中使用。
有许多寄存器围绕着发送器和接收器的控制部分 ：STAT0、USART_CTL0、USART_CTL1、USART_CTL2和 STAT1，即USART 三个控制寄存器（Control Register）状态寄存器（Status Register）。写入寄存器 发送和接收的各种控制参数，如奇偶验证位置、停止位置等，也包括对USART 中断的控制；串口的状态在任何时候都可以从状态寄存器中查询得到。停止位的配置如下图所示。
1.在USART_CTL0寄存器中位UEN位，使能USART； 2.通过USART_CTL0寄存器的WL设置字长； 3.在USART_CTL1寄存器中写STB[1:0]设置停止位长度； 4.如果选择多级缓存通信，应该是USART_CTL在寄存器中使能DMA (DENT位)； 5.在USART_BAUD寄存器中设置波特率； 6.在USART_CTL设置0寄存器TEN位； 7.等待TBE置位； 8.向USART_DATA寄存器写数据； 9.若DMA每个字节都需要重复步骤7-8； 10.等待TC=一、发送完成。
在禁用USART或者在进入低功耗状态之前，必须等待TC置位。先读USART_STAT0然后再写USART_DATA可将TC位清0。多级缓存通信模式(DENT=1)下，直接向TC写0，也能清TC。
1.写USART_CTL0寄存器的WL位置设置字长； 2.在USART_CTL1寄存器中写STB[1:0]设置停止位长度； 3.如果选择多级缓存通信，应该是USART_CTL在寄存器中使能DMA(DENR位)； 4.在USART_BAUD波特率设置在寄存器中； 5.在USART_CTL0寄存器中位UEN位，使能USART； 6.在USART_CTL0中设置REN位。
如果接收器在使能后检测到有效的起始脉冲，则开始接收码流。在接收数据帧时，会检测噪声错误、奇偶校验错误、帧错误和过载错误。
当接收到数据帧时， USART_STAT0寄存器中的RBNE如果设置了位置USART_CTL0寄存器中相应的中断使能位RBNEIE，会产生中断USART_STAT接收状态标志可在0寄存器中观察。
通过阅读软件USART_DATA寄存器或者DMA获取接收到的数据。无论是直接读取寄存器还是通过DMA，只要是对USART_DATA可以清除寄存器的读取操作RBNE位。
在接收过程中，需要使能REN位置，否则当前数据帧将丢失。
以上简要介绍了串口通信。为了方便读者更好地理解，笔者将在这里介绍一个新的想法–系统分层思想。既然你对嵌入式感兴趣，你必须对整个系统的架构有一定的了解。对GD裸机开发可分为物理层、协议层和应用层三层。前面说了这么多，也分析了串口协议。物理层常用的串口通信标准有232和485。
【注】UART和USART的区别 USART(universal synchronous asynchronous receiver and transmitte): 通用同步异步收发器，USART是一种串行通信设备，可灵活地与外部设备进行全双工数据交换。
UART(universal asynchronous receiver and transmitter): 通用异步收发器，异步串行通信口(UART)这就是我们常说的嵌入式串口，它也是一种通用的数据通信议。从名字上可以看出，USART在UART同步功能在此基础上增加，即USART是UART的增强型。
当我们使用USART在异步通信中，它与UART没有区别，但当使用同步通信时，区别非常明显：我们都知道同步通信需要时钟来触发数据传输，也就是说，USART相对UART其中一个区别供主动时钟。GD32的USART可提供时钟支持ISO智能卡接口7816。
USART指单片机的端口模块，可根据需要配置为同步模式（SPI，I2C），也可以将其配置为异步模式，后者就是UART。所以说UART姑姑可以称之为一个和SPI，I2C对等的协议USART不是协议，而是应该理解为实体。与同步通信相比，UART不需要统一的时钟线，接线更方便。但是，为了正常解码信号，使用它UART双方必须事先约定波特率，即每个码元的长度。
对串口的深入了解，请参阅作者的文章：
对串口通信有深入的了解
10.2串口通信寄存器描述
常用的串口寄存器有状态寄存器(USART_STATx)、数据寄存器(USART_DATA)、波特比寄存器(USART_BAUD)、控制寄存器 (USART_CTLx)。
10.3串口硬件
串口接口通过三个引脚与其他设备连接。USART双向通信至少需要两只脚：接收数据输入(RX)并发送数据输出(TX)。
-
RX：串行接收数据输入。通过采样技术来区分数据和噪声，从而恢复数据。
-
TX ：发送数据输出。当发送器被禁止时，输出引脚恢复到它I/O端口配置。当发送器被激活而不发送数据时，TX引脚处于高电平。在单线和智能卡模式下I/O 口被同时用于数据的发送和接收。
板材采用串口0，接口采用232，但对软件来说，都是一样的。
10.四串发送(重定向)printf）
10.4.实现串口发送
下面作者用标准库操作串口0。
- 串口0时钟使能
串口1是挂载的 APB2 以下外设使能函为：
rcu_periph_clock_enable(RCU_USART0);
值得注意的是，不仅要打开串口的时钟，还需要打开相应GPIO的时钟，最终的代码如下：
rcu_periph_clock_enable(RCU_GPIOA);
- 配置串口GPIO
这个比较简单，前面的章节已经讲过了，只需要注意的是，这里的GPIO不再是普通GPIO，要配置成复用功能，因此TX和RX分别配置成GPIO_MODE_AF_PP和GPIO_MODE_IN_FLOATING。
- 串口复位
当外设出现异常的时候可以通过复位设置，实现该外设的复位，然后重新配置这个外设达到让其重新工作的目的。一般在系统刚开始配置外设的时候，都会先执行复位该外设的操作。复位的是在函数usart_deinit()中完成：
void usart_deinit(uint32_t usart_periph);
比如我们要复位串口0，方法为：
usart_deinit(USART0);
- 串口参数初始化
串口初始化是以下函数设置：
void usart_baudrate_set(uint32_t usart_periph, uint32_t baudval); //设置波特率
void usart_word_length_set(uint32_t usart_periph, uint32_t wlen); //设置传输字长
void usart_stop_bit_set(uint32_t usart_periph, uint32_t stblen); //设置停止位
void usart_parity_config(uint32_t usart_periph, uint32_t paritycfg); //设置校验位
void usart_hardware_flow_rts_config(uint32_t usart_periph, uint32_t rtsconfig); //设置RTS流控
void usart_hardware_flow_cts_config(uint32_t usart_periph, uint32_t ctsconfig); //设置CTS流控
void usart_receive_config(uint32_t usart_periph, uint32_t rxconfig); //设置接收使能
void usart_transmit_config(uint32_t usart_periph, uint32_t txconfig); //设置发送使能
从上面的初始化格式可以看出初始化需要设置的参数为：波特率，字长，停止位，奇偶校验位，硬件数据流控制，模式（收，发）。 我们可以根据需要设置这些参数。
- 串口使能
串口使能是通过函数usart_enable()来实现的，这个很容易理解，使用方法是：
usart_enable(USART0);
/* brief configure COM port param[in] com: COM on the board arg COM1: COM1 on the board param[out] none retval none */
void com_init(uint32_t com)
{
uint32_t com_id = 0U;
if(COM1 == com)
{
com_id = 0U;
}
/* enable GPIO clock */
rcu_periph_clock_enable(COM_GPIO_CLK[com_id]);
/* enable USART clock */
rcu_periph_clock_enable(COM_CLK[com_id]);
/* connect port to USARTx_Tx */
gpio_init(COM_GPIO_PORT[com_id], GPIO_MODE_AF_PP, GPIO_OSPEED_50MHZ, COM_TX_PIN[com_id]);
/* connect port to USARTx_Rx */
gpio_init(COM_GPIO_PORT[com_id], GPIO_MODE_IN_FLOATING, GPIO_OSPEED_50MHZ, COM_RX_PIN[com_id]);
/* USART configure */
usart_deinit(com);
usart_baudrate_set(com, 115200U);
usart_word_length_set(com, USART_WL_8BIT);
usart_stop_bit_set(com, USART_STB_1BIT);
usart_parity_config(com, USART_PM_NONE);
usart_hardware_flow_rts_config(com, USART_RTS_DISABLE);
usart_hardware_flow_cts_config(com, USART_CTS_DISABLE);
usart_receive_config(com, USART_RECEIVE_ENABLE);
usart_transmit_config(com, USART_TRANSMIT_ENABLE);
usart_enable(com);
}
GD32 的发送与接收是通过数据寄存器USART_DATA来实现的，这是一个双寄存器。当向该寄存器写数据的时候，串口就会自动发送，当收到数据的时候，也是存在该寄存器内。
GD32库函数操作USART_DATA寄存器发送数据的函数是：
void usart_data_transmit(uint32_t usart_periph, uint16_t data);
通过该函数向串口寄存器 USART_DR 写入一个数据。
GD32库函数操作USART_DATA寄存器读取串口接收到的数据的函数是：
uint16_t usart_data_receive(uint32_t usart_periph);
通过该函数可以读取串口接受到的数据。
串口的状态可以通过状态寄存器USART_STAT0读取。
状态寄存器的其他位我们这里就不做过多讲解，大家需要可以查看中文参考手册。
在我们固件库函数里面，读取串口状态的函数是：
FlagStatus usart_flag_get(uint32_t usart_periph, usart_flag_enum flag);
这个函数的第二个入口参数非常关键， 它是标示我们要查看串口的哪种状态， 比如上面讲解的TBE(读数据寄存器非空)以及 TC(发送完成)。例如我们要判断读寄存器是否非空(TBE)， 操作库函数的方法是：
usart_flag_get (USART0, USART_FLAG_TBE);
我们要判断发送是否完成(TC)，操作库函数的方法是：
usart_flag_get (USART0, USART_FLAG_TC);
这些标识号是通过枚举类型定义的：
/* USART flags */
typedef enum {
/* flags in STAT0 register */
USART_FLAG_CTSF = USART_REGIDX_BIT(USART_STAT0_REG_OFFSET, 9U), /*!< CTS change flag */
USART_FLAG_LBDF = USART_REGIDX_BIT(USART_STAT0_REG_OFFSET, 8U), /*!< LIN break detected flag */
USART_FLAG_TBE = USART_REGIDX_BIT(USART_STAT0_REG_OFFSET, 7U), /*!< transmit data buffer empty */
USART_FLAG_TC = USART_REGIDX_BIT(USART_STAT0_REG_OFFSET, 6U), /*!< transmission complete */
USART_FLAG_RBNE = USART_REGIDX_BIT(USART_STAT0_REG_OFFSET, 5U), /*!< read data buffer not empty */
USART_FLAG_IDLEF = USART_REGIDX_BIT(USART_STAT0_REG_OFFSET, 4U), /*!< IDLE frame detected flag */
USART_FLAG_ORERR = USART_REGIDX_BIT(USART_STAT0_REG_OFFSET, 3U), /*!< overrun error */
USART_FLAG_NERR = USART_REGIDX_BIT(USART_STAT0_REG_OFFSET, 2U), /*!< noise error flag */
USART_FLAG_FERR = USART_REGIDX_BIT(USART_STAT0_REG_OFFSET, 1U), /*!< frame error flag */
USART_FLAG_PERR = USART_REGIDX_BIT(USART_STAT0_REG_OFFSET, 0U), /*!< parity error flag */
/* flags in STAT1 register */
USART_FLAG_BSY = USART_REGIDX_BIT(USART_STAT1_REG_OFFSET, 16U), /*!< busy flag */
USART_FLAG_EB = USART_REGIDX_BIT(USART_STAT1_REG_OFFSET, 12U), /*!< end of block flag */
USART_FLAG_RT = USART_REGIDX_BIT(USART_STAT1_REG_OFFSET, 11U) /*!< receiver timeout flag */
} usart_flag_enum;
另外，笔者在此给出输出格式的说明，请读者朋友参考。
| 格式 | 说明 |
|---|---|
| %d | 按照十进制整型数打印 |
| %6d | 按照十进制整型数打印，至少6个字符宽 |
| %f | 按照浮点数打印 |
| %6f | 按照浮点数打印，至少6个字符宽 |
| %.2f | 按照浮点数打印，小数点后有2位小数 |
| %6.2f | 按照浮点数打印，至少6个字符宽，小数点后有2位小数 |
| %x | 按照十六进制打印 |
| %c | 打印字符 |
| %s | 打印字符串 |
接下来就可以实现串口的发送了，这里对发送函数进行封装。
/** * @brief 串口发送一个字节数据 * @param ch：待发送字符 * @retval None */
void usart_send_byte(uint8_t ch)
{
/* 发送一个字节数据到USART0 */
usart_data_transmit(USART0,ch);
/* 等待发送完毕 */
while (usart_flag_get(USART0, USART_FLAG_TBE) == RESET);
}
/** * @brief 串口发送指定长度的字符串 * @param str：待发送字符串缓冲器 * strlen:指定字符串长度 * @retval None */
void usart_sendStr_length(uint8_t *str,uint32_t strlen)
{
unsigned int k=0;
do
{
usart_send_byte(*(str + k));
k++;
} while(k < strlen);
}
/** * @brief 串口发送字符串，直到遇到字符串结束符 * @param str：待发送字符串缓冲器 * @retval None */
void usart_send_string(uint8_t *str)
{
unsigned int k=0;
do
{
usart_send_byte(*(str + k));
k++;
} while(*(str + k)!='\0');
}
这样就方便多了，然后再主函数中调用发送函数。
/* Includes*********************************************************************/
#include "gd32f2_systick.h"
#include "gd32f2_usart.h"
#include <stdio.h>
/* brief main function param[in] none param[out] none retval none */
int main(void)
{
char str[20];
//systick init
sysTick_init();
//usart init 115200 8-N-1
com_init(COM1);
usart_send_string((uint8_t*)"This is COM1\r\n");
/* sprintf函数把格式化的数据写入某个字符串 */
sprintf(str,"20%02d-%02d-%02d",22,05,15);
usart_send_string((uint8_t*)str);
while(1)
{
}
}
下面笔者还要介绍一种常用的串口打印方式I/O重定向，也就是使用printf打印数据到终端，但是我们的裸机系统没有终端，因此如果想让printf / scanf向USART0发送、获取数据，需要通过代码指定C标准库输入/输出函数的控制终端设备，也就是使用功能I/O重定向。
在stdio.h有相应的接口。
/* * dynamically allocates a buffer of the right size for the * formatted string, and returns it in (*strp). Formal return value * is the same as any other printf variant, except that it returns * -1 if the buffer could not be allocated. * * (The functions with __ARM_ prefixed names are identical to the * ones without, but are available in all compilation modes without * violating user namespace.) */
extern _ARMABI int fgetc(FILE * /*stream*/) __attribute__((__nonnull__(1)));
/* * reads at most one less than the number of characters specified by n from * the stream pointed to by stream into the array pointed to by s. No * additional characters are read after a new-line character (which is * retained) or after end-of-file. A null character is written immediately * after the last character read into the array. * Returns: s if successful. If end-of-file is encountered and no characters * have been read into the array, the contents of the array remain * unchanged and a null pointer is returned. If a read error occurs * during the operation, the array contents are indeterminate and a * null pointer is returned. */
extern _ARMABI int fputc(int /*c*/, FILE * /*stream*/) __attribute__((__nonnull__(2)));
下面我们以实现printf打印数据到USART（即重定义fputc函数）的实现过程。
/** * @brief 重定向c库函数printf到USART1 * @param None * @retval */
int fputc(int ch, FILE *f)
{
/*清除标志位*/
usart_flag_clear(USART0,USART_FLAG_TC);
/* 发送一个字节数据到USART0 */
usart_data_transmit(USART0, (uint8_t) ch);
/* 等待发送完毕 */
while (usart_flag_get(USART0, USART_FLAG_TC) == RESET);
return (ch);
}
scanf同理。
/** * @brief 重定向c库函数scanf到USART0 * @param None * @retval None */
int fgetc(FILE *f)
{
/* 等待串口0输入数据 */
while (usart_flag_get(USART0, USART_FLAG_RBNE) == RESET);
return (int)usart_data_receive(USART0);
}
接下来就可使用printf和scanf函数了。
/* Includes*********************************************************************/
#include "gd32f2_systick.h"
#include "gd32f2_usart.h"
#include <stdio.h>
/* brief main function param[in] none param[out] none retval none */
int main(void)
{
char str[20];
//systick init
sysTick_init();
//usart init 115200 8-N-1
com_init(COM1);
printf("This is COM1\r\n");
/* sprintf函数把格式化的数据写入某个字符串 */
sprintf(str,"20%02d-%02d-%02d",22,05,15);
printf("%s",str);
while(1)
{
}
}
完整代码请查看配套程序，另外还需添加微库以便支持printf。具体设置参看本节后文的小贴士部分。
我们来总结下串口发送的流程：
1.初始化硬件，时钟； 2.USART 的GPIO初始化，USART参数初始化； 3.重定向printf 4.打印输出
10.4.2实验现象
将程序编译好下载到板子中，打开串口助手，按下图设置相应参数，按下板子的复位按键，在接收区可以看到如下信息。
10.5串口接收数据（中断方式）
10.5.1串口接收实现
中断方式相对于与普通方式，还需要开启中断并且初始化 NVIC以及中断服务函数。
- 开启中断
在接收到数据的时候（RBNE读数据寄存器非空），我们要产生中断，那么我们开启中断的方法是：
usart_interrupt_enable(USART0, USART_INT_RBNE); /* 使能串口0接收中断 */
在发送数据结束的时候（ TC， 发送完成） 要产生中断，那么方法是：
usart_interrupt_enable(USART0, USART_INT_TBE);
开启NVIC中断以及优先级。
nvic_irq_enable(USART0_IRQn, 0, 0);
- 中断服务函数
/*! \brief this function handles USART0 exception \param[in] none \param[out] none \retval none */
void USART0_IRQHandler(void)
{
uint8_t ch;
if(RESET != usart_interrupt_flag_get(USART0, USART_INT_FLAG_RBNE)) {
/* read one byte from the receive data register */
ch = (uint8_t)usart_data_receive(USART0);
printf( "%c", ch ); //将接受到的数据直接返回打印
}
}
在中断服务程序中，接收到数据后立即输出。
主函数代码如下：
/* Includes*********************************************************************/
#include "gd32f2_systick.h"
#include "gd32f2_usart.h"
#include <stdio.h>
/* brief main function param[in] none param[out] none retval none */
int main(void)
{
char str[20];
//systick init
sysTick_init();
//usart init 115200 8-N-1
com_init(COM1);
printf("This is COM1\r\n");
/* sprintf函数把格式化的数据写入某个字符串 */
sprintf(str,"20%02d-%02d-%02d",22,05,15);
printf("%s\r\n",str);
while(1)
{
}
}
总结下串口接收的编程流程：
1.硬件初始化，时钟初始化； 2.串口GPIO初始化，串口参数配置； 3.在main()函数中使能中断接收； 4.编写中断回调函数，处理接收的数据，
【注】中断接收函数只能触发一次接收中断，所以我们需要在中断回调函数中再次调用中断接收函数。这里可以对比下标准库的流程。
10.5.2实验现象
将程序编译好下载到板子中，打开串口助手，按下图设置相应参数，按下板子的复位按键，在接收区可以看到如下信息。
小贴士：
printf 函数重定向
要想 printf() 函数工作的话，我们需要把 printf() 重新定向到串口中。重定向是指用户可以自己重写 C 的库函数，当连接器检查到用户编写了与 C 库函数相同名字的函数时，优先采用用户编写的函数，这样用户就可以实现对库的修改了。
为了实现重定向 printf() 函数，我们需要重写 fputc() 这个 C 标准库函数，因为 printf()在 C 标准库函数中实质是一个宏，最终是调用了 fputc() 这个函数。
重定向的这部分工作，由gd32f2_usart.c 文件中的 fputc(int ch, FILE *f)这个函数来完成。重定向时，我们把 fputc( ) 的形参 ch，作为串口将要发送的数据，也就是说，当使用 printf( ) 时，它先调用这个 fputc( ) 函数，然后使用GD库的串口发送函数 usart_data_transmit ()，把数据转移到发送数据寄存器 TDR，触发我们的串口向 PC 发送一个相应的数据。调用完 usart_data_transmit( )后，要使用while (usart_flag_get(USART0, USART_FLAG_TC) == RESET) 语句不停地检查串口发送是否完成的标志位TC，一直检测到标志为“完成”，才进入下一步的操作，避免出错。在这段 while 循环检测的延时中，串口外设已经由发送控制器以及根 据我们的配置把数据从移位寄存器一位一位地通过串口线 Tx 发送出去了。
【注意】printf函数在“stdio.h”头文件里，使用该函数必须引用“stdio.h”库, 还 要在编译器中设置一个选项 Use MicroLIB （使用微库）。设置方式如下： 单击Project，选择option选项，再选择Target 勾选Use MicroLIB 即可。
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