開發(fā)環(huán)境：

MDK：Keil 5.30

開發(fā)板：GD32F207I-EVAL

MCU：GD32F207IK

1 串口簡介

USART(Universal Synchronous Asynchronous Receiver and Transmitter，通用同步-異步接收發(fā)射器)提供了一種靈活的方法與使用工業(yè)標準NRZ異步串行數據格式的外部設備之間進行全雙工數據交換。USART利用分數波特率發(fā)生器提供寬范圍的波特率選擇。它支持同步單向通信和半雙工單線通信，也支持LIN(局部互連網)，智能卡協(xié)議和IrDA(紅外數據組織)SIR ENDEC規(guī)范，以及調制解調器(CTS/RTS)操作。它還允許多處理器通信。使用多緩沖器配置的DMA方式，可以實現高速數據通信。

雖然USART既可以同步又可以異步，但是常見的最常用的就是使用功能的異步功能，如果作為異步通信就是UART（Universal Asynchronous Receiver and Transmitter），可以說，UART是USART的子集，但是同步通信相比異步通信多了一根時鐘同步信號線。

下面簡單介紹下同步和異步。

在同步通訊中，收發(fā)設備雙方會使用一根信號線表示時鐘信號，在時鐘信號的驅動下雙方進行協(xié)調，同步數據，見下圖。通訊中通常雙方會統(tǒng)一規(guī)定在時鐘信號的上升沿或下降沿對數據線進行采樣。

在異步通訊中不使用時鐘信號進行數據同步，它們直接在數據信號中穿插一些同步用的信號位，或者把主體數據進行打包，以數據幀的格式傳輸數據，見下圖，某些通訊中還需要雙方約定數據的傳輸速率，以便更好地同步。

在同步通訊中，數據信號所傳輸的內容絕大部分就是有效數據，而異步通訊中會包含有幀的各種標識符，所以同步通訊的效率更高，但是同步通訊雙方的時鐘允許誤差較小，而異步通訊雙方的時鐘允許誤差較大。

從上面的介紹可以看出，USART以同步方式通信需要時鐘同步信號，但不需要額外的起始、停止位，可以實現更快的傳輸速度。但USART控制起來更復雜，因此本文主要講解以異步通信。

異步串行通信以字符為單位，即一個字符一個字符地傳送 。

串口外設的架構圖看起來十分復雜，實際上對于軟件開發(fā)人員來說，我們只需要大概了解串口發(fā)送的過程即可。從下至上，我們看到串口外設主要由三個部分組成，分別是波特率控制、收發(fā)控制和數據存儲轉移。

• 波特率控制

波特率，即每秒傳輸的二進制位數，用b/s（bps）表示，通過對時鐘的控制可以改變波特率。在配置波特率時，我們向波特比率寄存器 USART_BAUD寫入參數，修改了串口時鐘的分頻值USARTDIV。USART_BAUD寄存器包括兩部分，分別是INTDIV（USARTDIV 的整數部分）和FRADIV（USARTDIV 的小數）部分，最終，計算公式為 USARTDIV= INTDIV+（FRADIV/16）。

USARTDIV 是對串口外設的時鐘源進行分頻的，USART0/5的系統(tǒng)時鐘為PCLK2， USART1/2和UART3/4/6/7的系統(tǒng)時鐘為PCLK1，串口的時鐘源經過 USARTDIV 分頻后分別輸出作為發(fā)送器時鐘及接收器時鐘，控制發(fā)送和接收的時序。在使能USART之前，必須在時鐘控制單元使能系統(tǒng)時鐘。

• 收發(fā)控制

圍繞著發(fā)送器和接收器控制部分，有好多個寄存器 ：STAT0、USART_CTL0、USART_CTL1、USART_CTL2和 STAT1，即USART 的三個控制寄存器（Control Register）及一個狀態(tài)寄存器（Status Register）。通過向寄存器寫入 各種控制參數來控制發(fā)送和接收，如奇偶校驗位、停止位等，還包括對USART 中斷的控制；串口的狀態(tài)在任何時候都可以從狀態(tài)寄存器中查詢得到。其中停止位的配置如下圖所示。

• 發(fā)送配置步驟：

1.在USART_CTL0寄存器中置位UEN位，使能USART；

2.通過USART_CTL0寄存器的WL設置字長；

3.在USART_CTL1寄存器中寫STB[1:0]位來設置停止位的長度；

4.如果選擇了多級緩存通信方式，應該在USART_CTL2寄存器中使能DMA (DENT位)；

5.在USART_BAUD寄存器中設置波特率；

6.在USART_CTL0寄存器中設置TEN位；

7.等待TBE置位；

8.向USART_DATA寄存器寫數據；

9.若DMA未使能，每發(fā)送一個字節(jié)都需重復步驟7-8；

10.等待TC=1，發(fā)送完成。

在禁用USART或進入低功耗狀態(tài)之前，必須等待TC置位。先讀USART_STAT0然后再寫USART_DATA可將TC位清0。在多級緩存通信方式(DENT=1)下，直接向TC寫0，也能清TC。

• 接收配置步驟：

1.寫USART_CTL0寄存器的WL位去設置字長；

2.在USART_CTL1寄存器中寫STB[1:0]位來設置停止位的長度；

3.如果選擇了多級緩存通信方式，應該在USART_CTL2寄存器中使能DMA(DENR位)；

4.在USART_BAUD寄存器中設置波特率；

5.在USART_CTL0寄存器中置位UEN位，使能USART；

6.在USART_CTL0中設置REN位。

接收器在使能后若檢測到一個有效的起始脈沖便開始接收碼流。在接收一個數據幀的過程中會檢測噪聲錯誤，奇偶校驗錯誤，幀錯誤和過載錯誤。

當接收到一個數據幀， USART_STAT0寄存器中的RBNE置位，如果設置了USART_CTL0寄存器中相應的中斷使能位RBNEIE，將會產生中斷。在USART_STAT0寄存器中可以觀察接收狀態(tài)標志。

軟件可以通過讀USART_DATA寄存器或者DMA方式獲取接收到的數據。不管是直接讀寄存器還是通過DMA，只要是對USART_DATA寄存器的一個讀操作都可以清除RBNE位。

在接收過程中，需使能REN位，不然當前的數據幀將會丟失。

以上對串口通信進行了簡單介紹，為了方便各位讀者朋友更好的理解，在這里筆者將引入一個新的思想--系統(tǒng)分層思想。既然各位對著有意于嵌入式，那么必須得有對整個系統(tǒng)的架構要有一定的認知。對GD32裸機開發(fā)，我們可以將分為三層：物理層、協(xié)議層和應用層。前文講了這么多也是對串口協(xié)議進行分析，常用的物理層的串口通信標準有232和485。

【注】UART和USART的區(qū)別

USART(universal synchronous asynchronous receiver and transmitte): 通用同步異步收發(fā)器，USART是一個串行通信設備，可以靈活地與外部設備進行全雙工數據交換。

UART(universal asynchronous receiver and transmitter): 通用異步收發(fā)器，異步串行通信口(UART)就是我們在嵌入式中常說的串口，它還是一種通用的數據通信議。從名字上可以看出，USART在UART基礎上增加了同步功能，即USART是UART的增強型。

當我們使用USART在異步通信的時候，它與UART沒有什么區(qū)別，但是用在同步通信的時候，區(qū)別就很明顯了：大家都知道同步通信需要時鐘來觸發(fā)數據傳輸，也就是說USART相對UART的區(qū)別之一就是能提供主動時鐘。如GD32的USART可以提供時鐘支持ISO7816的智能卡接口。

USART是指單片機的一個端口模塊，可以根據需要配置成同步模式（SPI，I2C），也可以將其配置為異步模式，后者就是UART。所以說UART姑且可以稱之為一個與SPI，I2C對等的“協(xié)議”，而USART則不是一個協(xié)議，而是更應該理解為一個實體。相比于同步通訊，UART不需要統(tǒng)一的時鐘線，接線更加方便。但是，為了正常的對信號進行解碼，使用UART通訊的雙方必須事先約定好波特率，即每個碼元的長度。

關于串口的深入理解，請參看筆者文章：

https://blog.bruceou.cn/2021/01/detailed-explanation-of-stm32-serial-communication/555/

2 串口通信的寄存器描述

串口常用的寄存器有狀態(tài)寄存器(USART_STATx)、數據寄存器(USART_DATA)、波特比率寄存器(USART_BAUD)、控制寄存器 (USART_CTLx)。

3 串口硬件

串口的接口通過三個引腳與其他設備連接在一起。任何USART雙向通信至少需要兩個腳：接收數據輸入(RX)和發(fā)送數據輸出(TX)。

• RX：接收數據串行輸入。通過采樣技術來區(qū)別數據和噪音，從而恢復數據。
• TX ：發(fā)送數據輸出。當發(fā)送器被禁止時，輸出引腳恢復到它的I/O端口配置。當發(fā)送器被激活，并且不發(fā)送數據時，TX引腳處于高電平。在單線和智能卡模式里，此I/O 口被同時用于數據的發(fā)送和接收。

板子使用串口0，接口用的232，但對于軟件來說，都是一樣的。

4 串口發(fā)送（重定向printf）

4.1 串口發(fā)送實現

下面筆者就用標準庫來操作串口0。

1.串口配置

• 串口0時鐘使能

串口1是掛載在 APB2 下面的外設，所以使能函數為：

rcu_periph_clock_enable(RCU_USART0);

值得注意的是，不僅要打開串口的時鐘，還需要打開相應GPIO的時鐘，最終的代碼如下：

rcu_periph_clock_enable(RCU_GPIOA);

• 配置串口GPIO

這個比較簡單，前面的章節(jié)已經講過了，只需要注意的是，這里的GPIO不再是普通GPIO，要配置成復用功能，因此TX和RX分別配置成GPIO_MODE_AF_PP和GPIO_MODE_IN_FLOATING。

• 串口復位

當外設出現異常的時候可以通過復位設置，實現該外設的復位，然后重新配置這個外設達到讓其重新工作的目的。一般在系統(tǒng)剛開始配置外設的時候，都會先執(zhí)行復位該外設的操作。復位的是在函數usart_deinit()中完成：

void usart_deinit(uint32_t usart_periph);

比如我們要復位串口0，方法為：

usart_deinit(USART0);

• 串口參數初始化

串口初始化是以下函數設置：

void usart_baudrate_set(uint32_t usart_periph, uint32_t baudval); //設置波特率
void usart_word_length_set(uint32_t usart_periph, uint32_t wlen); //設置傳輸字長
void usart_stop_bit_set(uint32_t usart_periph, uint32_t stblen); //設置停止位
void usart_parity_config(uint32_t usart_periph, uint32_t paritycfg); //設置校驗位
void usart_hardware_flow_rts_config(uint32_t usart_periph, uint32_t rtsconfig); //設置RTS流控
void usart_hardware_flow_cts_config(uint32_t usart_periph, uint32_t ctsconfig); //設置CTS流控
void usart_receive_config(uint32_t usart_periph, uint32_t rxconfig); //設置接收使能
void usart_transmit_config(uint32_t usart_periph, uint32_t txconfig); //設置發(fā)送使能

從上面的初始化格式可以看出初始化需要設置的參數為：波特率，字長，停止位，奇偶校驗位，硬件數據流控制，模式（收，發(fā)）。 我們可以根據需要設置這些參數。

• 串口使能

串口使能是通過函數usart_enable()來實現的，這個很容易理解，使用方法是：

usart_enable(USART0);

到此，串口初始化的基本配置就算完成了，完整初始化代碼如下：

/*
    brief      configure COM port
    param[in]  com_typedef_enum com_id, uint32_t baudval
    param[out] none
    retval     none
*/
void com_init(com_typedef_enum com_id, uint32_t baudval)
{
    /* 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[com_id]);
    usart_baudrate_set(COM_USART[com_id], baudval);
    usart_word_length_set(COM_USART[com_id], USART_WL_8BIT);
    usart_stop_bit_set(COM_USART[com_id], USART_STB_1BIT);
    usart_parity_config(COM_USART[com_id], USART_PM_NONE);
    usart_hardware_flow_rts_config(COM_USART[com_id], USART_RTS_DISABLE);
    usart_hardware_flow_cts_config(COM_USART[com_id], USART_CTS_DISABLE);
    usart_receive_config(COM_USART[com_id], USART_RECEIVE_ENABLE);
    usart_transmit_config(COM_USART[com_id], USART_TRANSMIT_ENABLE);
    usart_enable(COM_USART[com_id]);
}

2.數據發(fā)送與接收

GD32 的發(fā)送與接收是通過數據寄存器USART_DATA來實現的，這是一個雙寄存器。當向該寄存器寫數據的時候，串口就會自動發(fā)送，當收到數據的時候，也是存在該寄存器內。

GD32庫函數操作USART_DATA寄存器發(fā)送數據的函數是：

void usart_data_transmit(uint32_t usart_periph, uint16_t data);

通過該函數向串口寄存器 USART_DR 寫入一個數據。

GD32庫函數操作USART_DATA寄存器讀取串口接收到的數據的函數是：

uint16_t usart_data_receive(uint32_t usart_periph);

通過該函數可以讀取串口接受到的數據。

3.串口狀態(tài)

串口的狀態(tài)可以通過狀態(tài)寄存器USART_STAT0讀取。

狀態(tài)寄存器的其他位我們這里就不做過多講解，大家需要可以查看中文參考手冊。

在我們固件庫函數里面，讀取串口狀態(tài)的函數是：

FlagStatus usart_flag_get(uint32_t usart_periph, usart_flag_enum flag);

這個函數的第二個入口參數非常關鍵， 它是標示我們要查看串口的哪種狀態(tài)， 比如上面講解的TBE(讀數據寄存器非空)以及 TC(發(fā)送完成)。例如我們要判斷讀寄存器是否非空(TBE)， 操作庫函數的方法是：

usart_flag_get (USART0, USART_FLAG_TBE);

我們要判斷發(fā)送是否完成(TC)，操作庫函數的方法是：

usart_flag_get (USART0, USART_FLAG_TC);

這些標識號是通過枚舉類型定義的：

/* 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，筆者在此給出輸出格式的說明，請讀者朋友參考。

接下來就可以實現串口的發(fā)送了，這里對發(fā)送函數進行封裝。

/**
  * @brief  串口發(fā)送一個字節(jié)數據 
  * @param  ch：待發(fā)送字符
  * @retval None
  */
void usart_send_byte(uint8_t ch)
{
    /* 發(fā)送一個字節(jié)數據到USART */
    usart_data_transmit(USART0,ch);

    /* 等待發(fā)送完畢 */
    while (usart_flag_get(USART0, USART_FLAG_TBE) == RESET);	
}

/**
  * @brief  串口發(fā)送指定長度的字符串
  * @param  str：待發(fā)送字符串緩沖器
  *         strlen:指定字符串長度
  * @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  串口發(fā)送字符串，直到遇到字符串結束符
  * @param  str：待發(fā)送字符串緩沖器
  * @retval None
  */
void usart_send_string(uint8_t *str)
{
	  unsigned int k=0;
    do 
    {
        usart_send_byte(*(str + k));
        k++;
    } while(*(str + k)!='');
}

這樣就方便多了，然后再主函數中調用發(fā)送函數。

/*
    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, 115200);

    usart_send_string((uint8_t*)"This is COM1
");

    /* sprintf函數把格式化的數據寫入某個字符串  */
    sprintf(str,"20%02d-%02d-%02d",22,05,15); 

    usart_send_string((uint8_t*)str);

    while(1)
    {

    }
}

下面筆者還要介紹一種常用的串口打印方式I/O重定向，也就是使用printf打印數據到終端，但是我們的裸機系統(tǒng)沒有終端，因此如果想讓printf / scanf向USART0發(fā)送、獲取數據，需要通過代碼指定C標準庫輸入/輸出函數的控制終端設備，也就是使用功能I/O重定向。

在stdio.h有相應的接口。

/*
    * 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)));

下面我們以實現printf打印數據到USART（即重定義fputc函數）的實現過程。

/**
  * @brief  重定向c庫函數printf到USART1
  * @param  None
  * @retval 
  */
int fputc(int ch, FILE *f)
{
    /*清除標志位*/
    usart_flag_clear(USART0,USART_FLAG_TC);

    /* 發(fā)送一個字節(jié)數據到USART0 */
    usart_data_transmit(USART0, (uint8_t) ch);

    /* 等待發(fā)送完畢 */
    while (usart_flag_get(USART0, USART_FLAG_TC) == RESET);	

    return (ch);
}

scanf同理。

/**
  * @brief  重定向c庫函數scanf到USART0
  * @param  None
  * @retval None
  */
int fgetc(FILE *f)
{
    /* 等待串口0輸入數據 */
    while (usart_flag_get(USART0, USART_FLAG_RBNE) == RESET);

    return (int)usart_data_receive(USART0);
}

接下來就可使用printf和scanf函數了。

/*
    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, 115200);

    printf("This is COM1
");	

    /* sprintf函數把格式化的數據寫入某個字符串  */  
    sprintf(str,"20%02d-%02d-%02d",22,05,15); 

    printf("%s",str);

    while(1)
    {

    }
}

完整代碼請查看配套程序，另外還需添加微庫以便支持printf。具體設置參看本節(jié)后文的小貼士部分。

我們來總結下串口發(fā)送的流程：

1.初始化硬件，時鐘；

2.USART 的GPIO初始化，USART參數初始化；

3.重定向printf

4.打印輸出

4.2 實驗現象

將程序編譯好下載到板子中，打開串口助手，按下圖設置相應參數，按下板子的復位按鍵，在接收區(qū)可以看到如下信息。

5 串口接收數據（中斷方式）

5.1 串口接收實現

中斷方式相對于與普通方式，還需要開啟中斷并且初始化 NVIC以及中斷服務函數。

• 開啟中斷

在接收到數據的時候（RBNE讀數據寄存器非空），我們要產生中斷，那么我們開啟中斷的方法是：

usart_interrupt_enable(USART0, USART_INT_RBNE); /* 使能串口0接收中斷 */

在發(fā)送數據結束的時候（ TC， 發(fā)送完成） 要產生中斷，那么方法是：

usart_interrupt_enable(USART0, USART_INT_TBE);

開啟NVIC中斷以及優(yōu)先級。

nvic_irq_enable(USART0_IRQn, 0, 0);

• 中斷服務函數

/*!
    rief      this function handles USART0 exception
    param[in]  none
    param[out] none
    
etval     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 );    //將接受到的數據直接返回打印
    }
}

在中斷服務程序中，接收到數據后立即輸出。

主函數代碼如下：

/*
    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, 115200, 0, 1);

    printf("This is COM1
");	

    /* sprintf函數把格式化的數據寫入某個字符串  */  
    sprintf(str,"20%02d-%02d-%02d",22,05,15); 

    printf("%s
",str);

    while(1)
    {

    }
}

總結下串口接收的編程流程：

1.硬件初始化，時鐘初始化；

2.串口GPIO初始化，串口參數配置；

3.在main()函數中使能中斷接收；

4.編寫中斷回調函數，處理接收的數據，

【注】中斷接收函數只能觸發(fā)一次接收中斷，所以我們需要在中斷回調函數中再次調用中斷接收函數。這里可以對比下標準庫的流程。

5.2 實驗現象

將程序編譯好下載到板子中，打開串口助手，按下圖設置相應參數，按下板子的復位按鍵，在接收區(qū)可以看到如下信息。