GD32从0开始学GD32单片机—— USART串口通信详解

Posted 2023-03-29 马浩同学

目录

• 概述
• 功能概述
• 全双工异步通信模式
• • 参数说明
  • 串口发送
  • 串口接收
• 例程
• • 串口通信

概述

USART串口将是我们接触的第一个通信协议，也是最常用的通信协议。在项目开发中，我们常常用串口来打印单片机的运行日志，在查找一些运行时异常时特别有用，如果能通过串口日志打印来找出运行时的异常，肯定就不需要再debug了，省去了很多时间。
下面是GD32串口的结构框图，咋一看非常复杂，但其实日常我们只使用了其中一小部分。

功能概述

GD32中的串口支持大概下面几种模式——全双工异步通信、智能卡模式、同步通信模式、硬件流操作、串行红外编解码功能、LIN模式、半双工通信模式
但并不是GD32中所有的串口都支持这些模式，USART0/1/2支持所有的功能，UART3/4仅支持全双工异步通信。

上面USART0/1/2和UART3/4并不是笔误，USART和UART的区别在于中间的“S”，这个“S”是英文Synchronous（同步）的缩写，因为UART3/4不支持同步传输模式，因此缩写中也就没有加“S”。

因为日常几乎只使用到全双工异步通信模式，所以下面只介绍这个模式。

全双工异步通信模式

参数说明

满血版的串口有5个引脚，但在全双工异步通信模式下只需要用到RX和TX引脚进行通信。

下面是全双工异步通讯时序图。

通讯开始后，发送一个起始位，起始位后紧跟每一个位的数据，最后一位，即bit7有可能为校检位，取决于用户的选择，但一般来说我们不需要使用校检位，最后会以一个停止位来结束一次通信。
停止位的时间长度并不一定是一个时间单位，不同的模式要设置不同的停止位长度。

停止位长度（位）	功能描述
1	默认值
0.5	智能卡模式接收
2	标准USART，单线及调制解调模式
1.5	智能卡模式发送和接收

使用全双工异步通信时，使用1位停止位即可。

串口发送

下图为串口发送的时序图。

串口发送的简要步骤：

1. 在USART_CTL0寄存器中置位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]位来设置停止位的长度；
4. 如果选择了多级缓存通信方式，应该在USART_CTL2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_CTL0寄存器中设置TEN位，使能串口发送；
7. 等待TBE置位；
8. 向USART_DATA寄存器写数据；
9. 若DMA未使能，每发送一个字节都需重复步骤7-8；
10. 等待TC=1，发送完成。

说明：
TBE，全称Transfer Buffer Empty，“发送缓冲区空”标志位，当发送缓冲区为空该标志位置位，反之。
TC，全称Transfer Complete，“发送完成”标志位，当串口发送完成该标志位置位，很快后会硬件清零

串口接收

串口接收的简要步骤：

1. 在USART_CTL0寄存器中置位UEN位，使能USART；
2. 写USART_CTL0寄存器的WL去设置字长；
3. 在USART_CTL1寄存器中写STB[1:0]位来设置停止位的长度；
4. 如果选择了多级缓存通信方式，应该在USART_CTL2寄存器中使能DMA（DENR位）；
5. 在USART_BAUD寄存器中设置波特率；
6. 在USART_CTL0中设置REN位，使能串口接收。
7. 串口接收数据，向USART_DATA寄存器写数据
8. RBNE置位
9. 如果设置了USART_CTL0寄存器中相应的中断使能位RBNEIE，将会产生中断
10. 对USART_DATA寄存器的读操作，清除RBNE位

说明：
RBNE，全称Read Buffer Not Empty，“接收缓冲区非空”标志位，当接收缓冲区非空时该标志位置位，反之。

例程

串口通信

usart.c文件

#include "usart.h"

void USART_Config(void)

    /* 初始化GPIO外设 */
    rcu_periph_clock_enable(RCU_GPIOA);
    /* TX管脚，PA9，复用推挽输出，速度50MHz */
    gpio_init(GPIOA, GPIO_MODE_AF_PP, GPIO_OSPEED_50MHZ, GPIO_PIN_9);
    /* RX管脚，PA10，下拉输入，速度50MHz */
    gpio_init(GPIOA, GPIO_MODE_IPD, GPIO_OSPEED_50MHZ, GPIO_PIN_10);

    /* 初始化USART外设 */
    rcu_periph_clock_enable(RCU_USART0);  // 使能串口0时钟
    
    usart_baudrate_set(USART0, 115200);  // 波特率115200
    usart_parity_config(USART0, USART_PM_NONE);  // 无校检
    usart_word_length_set(USART0, USART_WL_8BIT);  // 8位数据位
    usart_stop_bit_set(USART0, USART_STB_1BIT);  // 1位停止位
    usart_transmit_config(USART0, USART_TRANSMIT_ENABLE);  // 使能串口发送
    usart_receive_config(USART0, USART_RECEIVE_ENABLE);  // 使能串口接收
    usart_enable(USART0);  // 使能串口


///重定向c库函数printf到串口，重定向后可使用printf函数
int fputc(int ch, FILE *f)

		/* 发送一个字节数据到串口 */
		usart_data_transmit(USART0, (uint8_t)ch);
		
		/* 等待发送完毕 */
		while (usart_flag_get(USART0, USART_FLAG_TBE) == RESET);		
	
		return (ch);


///重定向c库函数scanf到串口，重写向后可使用scanf、getchar等函数
int fgetc(FILE *f)

		/* 等待串口输入数据 */
		while (usart_flag_get(USART0, USART_FLAG_RBNE) == RESET);

		return (int)usart_data_receive(USART0);

上面的例程代码我们使用GD32的USART0外设，对于USART0我们需要初始化PA9和PA10这两个管脚，每个串口外设都有对应的管脚。
串口外设对应的发送接收管脚可以参考下表。

串口	发送管脚（TX）	接收管脚（RX）
USART0	PA9	PA10
USART1	PA2	PA3
USART2	PB10	PB11

串口的发送和接收例程中分别封装在fputc和fgetc函数中，重定义这两个函数，使用这两个函数需包含头文件“stdio.h”，我们在向串口发送数据就可以直接用printf函数，向串口接收数据时就可以用scanf函数，十分符合我们平时的习惯。
但大家应该注意到，使用重定向只能固定某一个串口，所以使用重定向最好定义在自己常用的串口上。

串口发送的main.c文件
现象：每秒向串口发送一个“Hello”字符串。

int main(void)
	
    systick_config();
    USART_Config();
    
    while(1)
    
        printf("Hello\\n");
        delay_ms(1000);
    

串口接收的main.c文件
现象：电脑端向GD32串口发送数据，GD32接收后返回所接收的内容。

int main(void)
	
    systick_config();
    USART_Config();
    
    char buf[20] = 0;
    
    while(1)
    
        memset(buf, 0x00, sizeof(buf));
        scanf("%s", buf);
        printf("received: %s\\n", buf);