【GD32 MCU 入門教程】GD32 MCU 常見外設介紹（10）USART 模塊介紹

通用同步異步收發(fā)器（USART） 提供了一個靈活方便的串行數(shù)據(jù)交換接口，數(shù)據(jù)幀可以通過全雙工或半雙工，同步或異步的方式進行傳輸。 USART提供了可編程的波特率發(fā)生器，能對UCLK（PCLK1或PCLK2） 進行分頻產(chǎn)生USART發(fā)送和接收所需的特定頻率。

USART不僅支持標準的異步收發(fā)模式，還實現(xiàn)了一些其他類型的串行數(shù)據(jù)交換模式，如紅外編碼規(guī)范， SIR，智能卡協(xié)議， LIN， 半雙工以及同步模式。它還支持多處理器通信和Modem流控操作（CTS/RTS）。數(shù)據(jù)幀支持從LSB或者MSB開始傳輸。數(shù)據(jù)位的極性和TX/RX引腳都可以靈活配置。部分USART支持DMA功能，以實現(xiàn)高速率的數(shù)據(jù)通信，支持情況根據(jù)不同芯片型號而定。

10.1.USART 基礎知識

通信方式的分類：并行通信、串行通信

1. 并行通信：是指數(shù)據(jù)的各位同時在多根數(shù)據(jù)線上發(fā)送或接收，如圖所示。

并行通信的特點：控制簡單，傳輸速度快；由于傳輸線多，適用于距離近傳輸。

1. 串行通信：是數(shù)據(jù)的各位在同一根數(shù)據(jù)線上依次逐位發(fā)送或接收，如圖所示

串行通信的特點：控制復雜，傳輸速度較慢；只需要一根線，適用于遠距離傳輸。

串行通信方式的分類

在串行通信中，根據(jù)對數(shù)據(jù)流的分界、定時及同步方法不同，可以分為同步串行通信方式和異步串行通信方式。

1. 同步串行通信方式：把許多字符組成一個信息組，或稱為信息幀，每幀的開始用同步字符來指示。并且發(fā)送和接收的雙方必須采用同一時鐘，這樣接收方就可以用時鐘信號來確定每個信號 位。同步通信如圖所示：

同步通信：發(fā)送端和接收端必須使用統(tǒng)一時鐘，它是一種連續(xù)傳送數(shù)據(jù)的通信方式，一次通信傳送多個字符數(shù)據(jù)，稱為一幀信息。幀格式如圖所示：

同步串行通信幀：是將許多字符組成一個信息幀，這樣字符可以一個接一個的傳輸，但是，在每幀信息的開始要加上同步字符，在沒有信息要傳輸時，要填上空字符，因為同步傳輸不允許有間 隙。

同步串行通信特點：必須有同步時鐘，傳輸信息量大，傳輸速率高，但是傳輸設備復雜，技術(shù)要求高。

1. 異步串行通訊方式：是指通訊雙方以一個字符（包括特定附加位）作為數(shù)據(jù)傳輸單位且發(fā)送方傳送字符的間隔時間不一定，具有不規(guī)則數(shù)據(jù)段傳送特性的串行數(shù)據(jù)傳輸。異步串行通信如圖所示：

異步通信：是指發(fā)送和接收端使用各自的時鐘，并且它是一種不連續(xù)傳輸?shù)耐ㄐ欧绞?，一次通信只傳一個字符數(shù)據(jù)，稱為字符幀。字符幀之間的間隙可以是任意間隙。它的幀格式如圖所示：

異步串行通信幀：是將一個字節(jié)數(shù)據(jù)加上起始位、校驗位、停止位，構(gòu)成的字符幀。由于異步通信沒有同步時鐘，所以接收端要時刻處于接收狀態(tài)。

起始位：在沒有數(shù)據(jù)傳送時即空閑狀態(tài)，此時通信線上為邏輯“1”狀態(tài)。當發(fā)送端要發(fā)送1個字符數(shù)據(jù)時，首先發(fā)送一個邏輯“0”信號，這個低電平就是幀格式的起始位。其作用就是告訴接收端開始發(fā)送一幀數(shù)據(jù)。接收端檢測到這個低電平后，就準備接收數(shù)據(jù)信號。

數(shù)據(jù)位：在起始位之后，發(fā)送端發(fā)出的就是數(shù)據(jù)位，數(shù)據(jù)位的位數(shù)沒有嚴格限制5~9位都行。低位在前，高位在后，由低位到高位逐位傳送。USART一般是8位。

校驗位：數(shù)據(jù)位發(fā)送完成之后，可發(fā)送一位用來檢驗數(shù)據(jù)在傳送過程中是否出錯的奇偶校驗位。奇偶校驗是收發(fā)雙方預先約定好的有限差錯檢驗方式之一。有時也可以無校驗。

停止位：字符幀格式的最后部分是停止位，邏輯“1”電平有效，它可占1/2位、1位、1.5位或2位。停止位表示傳送一幀信息的結(jié)束，也為發(fā)送下一幀信息做好準備。

異步串行通信特點：不需要時鐘同步，通信實現(xiàn)簡單，設備開銷小。但是傳輸速率不高。

串行通信數(shù)據(jù)傳送方向

根據(jù)串行數(shù)據(jù)的傳輸方向，我們可以將通信分為單工、半雙工、全雙工。

單工：是指數(shù)據(jù)傳輸僅能沿一個方向，不能實現(xiàn)反向傳輸。

半雙工：是指數(shù)據(jù)傳輸可以沿兩個方向，但需要分時進行傳輸。

全雙工：是指數(shù)據(jù)可以同時進行雙向傳輸。

串行通信數(shù)據(jù)的傳輸方向

10.2.GD32 USART 外設原理簡介

GD32芯片具有多個USART外設用于串口通訊，它是 Universal Synchronous Asynchronous Receiver and Transmitter的縮寫，即通用同步異步收發(fā)器可以靈活地與外部設備進行全雙工數(shù)據(jù) 交換。有別于USART，它還有具有UART外設(Universal Asynchronous Receiver and Transmitter)，它是在USART基礎上裁剪掉了同步通信功能，只有異步通信。簡單區(qū)分同步和異步就是看通信時需不需要對外提供時鐘輸出。

因篇幅有限，本文無法詳細介紹GD32所有系列USART外設接口，下面以GD32F30x為列，著重介紹下GD32F30x的USART外設簡介和結(jié)構(gòu)框圖，后介紹下各個系列的差異。

GD32 USART 主要特性

? NRZ標準格式(Mark/Space)。

? 全雙工異步通信。

? 可編程的波特率產(chǎn)生器：

– 由外設時鐘分頻產(chǎn)生，其中USART0由PCLK2分頻得到，USART1/2和UART3/4由PCLK1分頻得到；

– 16倍過采樣；

– 當時鐘頻率為120M，過采樣為16，最高速度可到7.5MBits/s。

? 完全可編程的串口特性：

– 偶校驗位，奇校驗位，無校驗位的生成/檢測；

– 數(shù)據(jù)位(8或9位)；

– 產(chǎn)生0.5，1，1.5或者2個停止位。

? 發(fā)送器和接收器可分別使能。

? 支持硬件Modem流控操作(CTS/RTS)。

? DMA訪問數(shù)據(jù)緩沖區(qū)。

? LIN斷開幀的產(chǎn)生和檢測。

? 支持紅外數(shù)據(jù)協(xié)議(IrDA)。

? 同步傳輸模式以及為同步傳輸輸出發(fā)送時鐘。

? 支持兼容ISO7816-3的智能卡接口：

– 字節(jié)模式(T=0)；

– 塊模式(T=1)；

– 直接和反向轉(zhuǎn)換。

? 多處理器通信：

– 如果地址不匹配，則進入靜默模式；

– 通過線路空閑檢測或者地址掩碼檢測從靜默模式喚醒。

? 多種狀態(tài)標志：

– 傳輸檢測標志：接收緩沖區(qū)不為空(RBNE)，發(fā)送緩沖區(qū)為空(TBE)，傳輸完成(TC)，忙(BSY)；

– 錯誤檢測標志：過載錯誤(ORERR)，噪聲錯誤(NERR)，幀格式錯誤(FERR)，奇偶校驗錯誤(PERR)；

– 硬件流控操作標志：CTS變化(CTSF)；

– LIN模式標志：LIN斷開檢測(LBDF)；

– 多處理器通信模式標志：IDLE幀檢測(IDLEF)；

– 智能卡模式標志：塊結(jié)束(EBF)和接收超時(RTF)；

– 若相應的中斷使能，這些事件發(fā)生將會觸發(fā)中斷。

USART0/1/2完全實現(xiàn)上述功能，但是UART3/4只實現(xiàn)了上面所介紹的部分功能，下面這些功能在UART3/4中沒有實現(xiàn)：

? 智能卡模式；

? 同步模式；

? 硬件流操作(CTS/RTS)；

? 設置數(shù)據(jù)極性。

USART 結(jié)構(gòu)框圖

USART 功能引腳：

TX：發(fā)送數(shù)據(jù)輸出引腳

SW_RX：數(shù)據(jù)接收引腳，只用于單線和智能卡模式，屬于內(nèi)部腳，沒有具體的外部引腳。

RX：接收數(shù)據(jù)輸入引腳

nRTS：請求以發(fā)送(Request To Send)，n表示低電平有效。如果使能RTS流控制，當USART接收器準備好接收新數(shù)據(jù)時就會將nRTS變成低電平；當接收寄存器已滿時，nRTS將被設置為高電平。該引腳只適用于硬件流控制。

nCTS：清除以發(fā)送(Clear To Send)，n表示低電平有效。如果使能CTS流控制，發(fā)送器在發(fā)送下一幀數(shù)據(jù)之前會檢測nCTS引腳，如果為低電平，表示可以發(fā)送數(shù)據(jù)，如果為高電平則在發(fā)送完當前數(shù)據(jù)幀之后停止發(fā)送。該引腳只適用于硬件流控制。

CK：發(fā)送器時鐘輸出引腳。這個引腳僅適用于同步模式。具體各系列USART引腳對應，可見相應的Datasheet。

波特率發(fā)生器：如圖 0-36 USART結(jié)構(gòu)框圖的②所示，波特率分頻系數(shù)是一個16位的數(shù)字，包含12位整數(shù)部分和4位小數(shù)部分。波特率發(fā)生器使用這兩部分組合所得的數(shù)值來確定波特率。由于具有小數(shù)部分的波特率分頻系數(shù)，將使USART能夠產(chǎn)生所有標準波特率。

波特率分頻系數(shù)(USARTDIV) 與系統(tǒng)時鐘具有如下關(guān)系：

USART0的系統(tǒng)時鐘為PCLK2，USART1/2和UART3/4的系統(tǒng)時鐘為PCLK1。在使能USART之前，必須在時鐘控制單元使能系統(tǒng)時鐘。

控制器：如USART結(jié)構(gòu)框圖所示，USART有專門控制發(fā)送的發(fā)送器、控制接收的接收器，還有喚醒單元、中斷控制等等。使用USART之前需要向USART_CTL0寄存器的UEN位置1使能USART。發(fā)送或者接收數(shù)據(jù)字長可選8位或9位，由USART_CTL0的WL位控制。

數(shù)據(jù)寄存器：如USART結(jié)構(gòu)框圖所示，USART數(shù)據(jù)寄存器(USART_DATA)只有低9位有效，并且第9位數(shù)據(jù)是否有效要取決于USART控制寄存器1(USART_CTL0)的WL位設置，當WL位為0時表示8位數(shù)據(jù)字長，當WL位為1表示9位數(shù)據(jù)字長，我們一般使用8位數(shù)據(jù)字長。USART_DATA包含了已發(fā)送的數(shù)據(jù)或者接收到的數(shù)據(jù)。USART_DATA實際是包含了兩個寄存器，一個專門用于發(fā)送的可寫TDATA，一個專門用于接收的可讀RDATA。當進行發(fā)送操作時，往USART_DATA寫入數(shù)據(jù)會自動存儲在TDATA內(nèi)；當進行讀取操作時，向USART_DATA讀取數(shù)據(jù)會自動提取RDATA數(shù)據(jù)。

TDATA和RDATA都是介于系統(tǒng)總線和移位寄存器之間。串行通信是一個位一個位傳輸?shù)?，發(fā)送時把TDATA內(nèi)容轉(zhuǎn)移到發(fā)送移位寄存器，然后把移位寄存器數(shù)據(jù)每一位發(fā)送出去，接收時把接收到的每一位順序保存在接收移位寄存器內(nèi)然后才轉(zhuǎn)移到RDATA。

USART支持DMA傳輸，可以實現(xiàn)高速數(shù)據(jù)傳輸。

校驗控制：GD32系列控制器USART支持奇偶校驗。當使用校驗位時，串口傳輸?shù)拈L度將是8位的數(shù)據(jù)幀加上1位的校驗位總共9位，此時USART_CTL0寄存器的WL位需要設置為1，即9數(shù)據(jù)位。將USART_CTL0寄存器的PCEN位置1就可以啟動奇偶校驗控制，奇偶校驗由硬件自動完成。啟動了奇偶校驗控制之后，在發(fā)送數(shù)據(jù)幀時會自動添加校驗位，接收數(shù)據(jù)時自動驗證校驗位。接收數(shù)據(jù)時如果出現(xiàn)奇偶校驗位驗證失敗，會見USART_STAT0寄存器的PERR位置1，并可以產(chǎn)生奇偶校驗中斷。

使能了奇偶校驗控制后，每個字符幀的格式將變成：起始位+數(shù)據(jù)幀+校驗位+停止位。

中斷控制：USART有多個中斷請求事件，具體可見所示。

各系列 USART 功能差異 GD32系列MCU有關(guān)USART外設各系列功能差異如GD32各系列MCU USART外設功能差異表所示。

GD32 各系列 MCU USART 外設功能差異表

10.3.硬件連接說明

為利用USART實現(xiàn)開發(fā)板與電腦通信，需要用到一個USB轉(zhuǎn)USART的IC，我們選擇CH340G芯片來實現(xiàn)這個功能，CH340G是一個USB總線的轉(zhuǎn)接芯片，實現(xiàn)USB轉(zhuǎn)USART、USB轉(zhuǎn)IrDA紅外或者USB轉(zhuǎn)打印機接口，我們使用其USB轉(zhuǎn)USART功能。具體電路設計見下圖USB轉(zhuǎn)串口硬件設計。

我們將CH340G的TXD引腳與USART的RX引腳連接，CH340G的RXD引腳與USART的TX引腳連接。

5.10.4.軟件配置說明

本小節(jié)講解USART_Example歷程中USART模塊的配置說明，主要包括外設時鐘配置、GPIO引腳 配置、USART外設配置、主函數(shù)介紹以及運行結(jié)果。本例程主要介紹GD32 MCU各系列USART 模塊的輪詢發(fā)送中斷接收，有關(guān)USART其他功能例程可參考各系列固件庫歷程。 USART 外設配置

USART外設配置如代碼清單USART例程USART外設配置所示。首先是對各項外設時鐘初始化，接著初始化GPIO：GD32F10X、GD32F30X、GD32F20X、GD32E10X系列GPIO配置相同，PA9配置為復用推挽輸出；PA10需配置為浮空輸入。GD32F1X0、GD32F4XX、GD32F3X0、GD32E23X系列GPIO配置基本相同，不同在于PA9/PA10引腳的AF復用功能配置不同，在GD32F1X0、GD32F3X0和GD32E23X上，需要配置為AF1模式，在GD32F4XX上需要配置為AF7模式。然后配置USART接收中斷優(yōu)先級分組。最后配置USART初始化：GD32全系列MCU中USART外設配置基本相同，在本例程中，USART既可以發(fā)送可以接收，GD32標準庫提供了USART各項初始化的函數(shù)接口，其初始化函數(shù)接口說明如USART函數(shù)說明列表所示。因USART使用了C函數(shù)的printf函數(shù)，所以重定向了printf到USART，還得在KEIL的魔術(shù)棒Target配置下打開” Use MicroLIB”。

代碼清單 USART 例程 USART 外設配置

void usart_init(void) { rcu_periph_clock_enable(RCU_GPIOA); rcu_periph_clock_enable(RCU_USART0); #if defined GD32F10X_HD || GD32F30X_HD || GD32F20X_CL || GD32E10X rcu_periph_clock_enable(RCU_AF); /* connect port to USARTx_Tx */ gpio_init(GPIOA, GPIO_MODE_AF_PP, GPIO_OSPEED_50MHZ, GPIO_PIN_9); /* connect port to USARTx_Rx */ gpio_init(GPIOA, GPIO_MODE_IN_FLOATING, GPIO_OSPEED_50MHZ, GPIO_PIN_10); nvic_irq_enable(USART0_IRQn, 2U, 0U); #elif defined GD32F1X0 || GD32F4XX || GD32F3X0 || GD32E230 #if defined GD32F1X0 || GD32F3X0 || GD32E230 /* connect port to USARTx_Tx USARTx_Rx*/ gpio_af_set(GPIOA, GPIO_AF_1, GPIO_PIN_9 | GPIO_PIN_10 ); #elif defined GD32F4XX gpio_af_set(GPIOA, GPIO_AF_7, GPIO_PIN_9 | GPIO_PIN_10 ); #endif #if defined GD32F1X0 || GD32F3X0 || GD32F4XX nvic_irq_enable(USART0_IRQn, 2U, 0U); #elif defined GD32E230 nvic_irq_enable(USART0_IRQn, 2U); #endif /* configure USART Tx as alternate function push-pull */ gpio_mode_set(GPIOA, GPIO_MODE_AF, GPIO_PUPD_PULLUP, GPIO_PIN_9); gpio_output_options_set(GPIOA, GPIO_OTYPE_PP, GPIO_OSPEED_50MHZ, GPIO_PIN_9); /* configure USART Rx as alternate function push-pull */ gpio_mode_set(GPIOA, GPIO_MODE_AF, GPIO_PUPD_PULLUP, GPIO_PIN_10); gpio_output_options_set(GPIOA, GPIO_OTYPE_PP, GPIO_OSPEED_50MHZ, GPIO_PIN_10); #endif /* USART configure */ usart_deinit(USART0); usart_baudrate_set(USART0, 115200U); usart_word_length_set(USART0, USART_WL_8BIT); usart_stop_bit_set(USART0, USART_STB_1BIT); usart_parity_config(USART0, USART_PM_NONE); usart_hardware_flow_rts_config(USART0, USART_RTS_DISABLE); usart_hardware_flow_cts_config(USART0, USART_CTS_DISABLE); usart_receive_config(USART0, USART_RECEIVE_ENABLE); usart_transmit_config(USART0, USART_TRANSMIT_ENABLE); usart_enable(USART0); } /* retarget the C library printf function to the USART */ int fputc(int ch, FILE *f) { usart_data_transmit(USART0, (uint8_t)ch); while (RESET == usart_flag_get(USART0, USART_FLAG_TBE)); return ch; }

USART 函數(shù)說明列表

中斷函數(shù)

中斷函數(shù)如代碼清單 USART 中斷函數(shù)所示，GD32 所有函數(shù)中斷接收函數(shù)相同：先檢測 USART_INT_FLAG_RBNE 置 1 時，執(zhí)行數(shù)據(jù)接收，當數(shù)據(jù)接收到設定的位數(shù)后，關(guān)閉 USART 接收中斷。

void USART0_IRQHandler(void) { if(RESET != usart_interrupt_flag_get(USART0, USART_INT_FLAG_RBNE)){ /* receive data */ rxbuffer[rxcount++] = usart_data_receive(USART0); if(rxcount == rx_size){ usart_interrupt_disable(USART0, USART_INT_RBNE); } } }

主函數(shù)說明 主函數(shù)如代碼清單USART例程主函數(shù)所示，該主函數(shù)主要分成三個部分，USART初始化、USART 輪詢發(fā)送 buffer 、 開啟中斷接收 buffer 當 數(shù) 據(jù) 接 收 完 成 時 執(zhí) 行 printf 打 印函數(shù)：printf("\n\rUSART receive successfully!\n\r");。

int main(void) { usart_init(); printf("GD32 WELCOME"); while(txcount

運行結(jié)果 將USART_Example例程按照對應的芯片工程編譯完成后，下載到對應芯片中，采用USB轉(zhuǎn)USART連接電腦，使用串口助手，可查看MCU發(fā)送的結(jié)果，電腦發(fā)送數(shù)據(jù)MCU返回的結(jié)果。

具體可如下圖USART運行結(jié)果所示。

10.5.USART 使用注意事項

(1) 使用 USART，收發(fā)都是 DMA 方式，由于接受數(shù)據(jù)幀長度不固定，可以采用 USART Receive timeout 標志作為 USART DMA 接收完成標志，采用 TC 作為 USART DMA 發(fā)送完成標志。

(2) USART 只要發(fā)送寄存器為空，就會一直有中斷，因此，要是不發(fā)送數(shù)據(jù)時，在 USART中斷處理函數(shù)中把發(fā)送中斷關(guān)閉，只在開始發(fā)送時才打開；接收同理

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