開發環境：

MDK：Keil 5.30

開發板：GD32F207I-EVAL

MCU：GD32F207IK

1 串口簡介

USART(Universal Synchronous Asynchronous Receiver and Transmitter，通用同步-異步接收發射器)提供了一種靈活的方法與使用工業標準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)，智能卡協議和IrDA(紅外數據組織)SIR ENDEC規范，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調，同步數據，見下圖。通訊中通常雙方會統一規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人員來說，我們只需要大概了解串口發送的過程即可。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的系統時鐘為PCLK2， USART1/2和UART3/4/6/7的系統時鐘為PCLK1，串口的時鐘源經過 USARTDIV 分頻后分別輸出作為發送器時鐘及接收器時鐘，控制發送和接收的時序。在使能USART之前，必須在時鐘控制單元使能系統時鐘。

• 收發控制

圍繞著發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）及一個狀態寄存器（Status Register）。通過向寄存器寫入 各種控制參數來控制發送和接收，如奇偶校驗位、停止位等，還包括對USART 中斷的控制；串口的狀態在任何時候都可以從狀態寄存器中查詢得到。其中停止位的配置如下圖所示。

• 發送配置步驟：

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，每發送一個字節都需重復步驟7-8；

10.等待TC=1，發送完成。

在禁用USART或進入低功耗狀態之前，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的架構要有一定的認知。對GD32裸機開發，我們可以將分為三層：物理層、協議層和應用層。前文講了這么多也是對串口協議進行分析，常用的物理層的串口通信標準有232和485。

【注】UART和USART的區別

USART(universal synchronous asynchronous receiver and transmitte): 通用同步異步收發器，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沒有什么區別，但是用在同步通信的時候，區別就很明顯了：大家都知道同步通信需要時鐘來觸發數據傳輸，也就是說USART相對UART的區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“協議”，而USART則不是一個協議，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)和發送數據輸出(TX)。

• RX：接收數據串行輸入。通過采樣技術來區別數據和噪音，從而恢復數據。
• TX ：發送數據輸出。當發送器被禁止時，輸出引腳恢復到它的I/O端口配置。當發送器被激活，并且不發送數據時，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 串口發送（重定向printf）

4.1 串口發送實現

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。一般在系統剛開始配置外設的時候，都會先執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）。 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.數據發送與接收

GD32 的發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

串口的狀態可以通過狀態寄存器USART_STAT0讀取。

狀態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， 比如上面講解的TBE(讀數據寄存器非空)以及 TC(發送完成)。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送了，這里對發送函數進行封裝。

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

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

/**
  * @brief  串口發送指定長度的字符串
  * @param  str：待發送字符串緩沖器
  *         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  串口發送字符串，直到遇到字符串結束符
  * @param  str：待發送字符串緩沖器
  * @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沒有終端，因此如果想讓printf / scanf向USART0發送、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);

    /* 發送一個字節數據到USART0 */
    usart_data_transmit(USART0, (uint8_t) ch);

    /* 等待發送完畢 */
    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。具體設置參看本節后文的小貼士部分。

我們來總結下串口發送的流程：

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 */

在發送數據結束的時候（ TC， 發送完成） 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，在接收區可以看到如下信息。