10.USART 模塊介紹

1. 通用同步異步收發(fā)器（USART） 提供了一個(gè)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(jìn)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(jìn)行分頻產(chǎn)生USART發(fā)送和接收所需的特定頻率。

2. USART不僅支持標(biāo)準(zhǔn)的異步收發(fā)模式，還實(shí)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M(jìn)SB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(shí)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(hào)而定。

10.1.USART 基礎(chǔ)知識(shí)

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(shí)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(diǎn)：控制簡單，傳輸速度快；由于傳輸線多，適用于距離近傳輸。

2. 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(diǎn)：控制復(fù)雜，傳輸速度較慢；只需要一根線，適用于遠(yuǎn)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(shí)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(gè)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(shí)鐘，這樣接收方就可以用時(shí)鐘信號(hào)來確定每個(gè)信號(hào) 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(shí)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(gè)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(gè)信息幀，這樣字符可以一個(gè)接一個(gè)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(shí)，要填上空字符，因?yàn)橥絺鬏敳辉试S有間 隙。

同步串行通信特點(diǎn)：必須有同步時(shí)鐘，傳輸信息量大，傳輸速率高，但是傳輸設(shè)備復(fù)雜，技術(shù)要求高。

2. 異步串行通訊方式：是指通訊雙方以一個(gè)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(shí)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(shí)鐘，并且它是一種不連續(xù)傳輸?shù)耐ㄐ欧绞剑淮瓮ㄐ胖粋饕粋€(gè)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(gè)字節(jié)數(shù)據(jù)加上起始位、校驗(yàn)位、停止位，構(gòu)成的字符幀。由于異步通信沒有同步時(shí)鐘，所以接收端要時(shí)刻處于接收狀態(tài)。

起始位：在沒有數(shù)據(jù)傳送時(shí)即空閑狀態(tài)，此時(shí)通信線上為邏輯“1”狀態(tài)。當(dāng)發(fā)送端要發(fā)送1個(gè)字符數(shù)據(jù)時(shí)，首先發(fā)送一個(gè)邏輯“0”信號(hào)，這個(gè)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(gè)低電平后，就準(zhǔn)備接收數(shù)據(jù)信號(hào)。

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(yán)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(yàn)位：數(shù)據(jù)位發(fā)送完成之后，可發(fā)送一位用來檢驗(yàn)數(shù)據(jù)在傳送過程中是否出錯(cuò)的奇偶校驗(yàn)位。奇偶校驗(yàn)是收發(fā)雙方預(yù)先約定好的有限差錯(cuò)檢驗(yàn)方式之一。有時(shí)也可以無校驗(yàn)。

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(zhǔn)備。

異步串行通信特點(diǎn)：不需要時(shí)鐘同步，通信實(shí)現(xiàn)簡單，設(shè)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。

1. 單工：是指數(shù)據(jù)傳輸僅能沿一個(gè)方向，不能實(shí)現(xiàn)反向傳輸。

2. 半雙工：是指數(shù)據(jù)傳輸可以沿兩個(gè)方向，但需要分時(shí)進(jìn)行傳輸。

3. 全雙工：是指數(shù)據(jù)可以同時(shí)進(jìn)行雙向傳輸。

串行通信數(shù)據(jù)的傳輸方向

10.2.GD32 USART 外設(shè)原理簡介

GD32芯片具有多個(gè)USART外設(shè)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(shè)備進(jìn)行全雙工數(shù)據(jù) 交換。有別于USART，它還有具有UART外設(shè)(Universal Asynchronous Receiver and Transmitter)，它是在USART基礎(chǔ)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(shí)需不需要對外提供時(shí)鐘輸出。

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

GD32 USART 主要特性

? NRZ標(biāo)準(zhǔn)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(shè)時(shí)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(dāng)時(shí)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(yàn)位，奇校驗(yàn)位，無校驗(yàn)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(gè)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(shí)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(jìn)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(biāo)志：

– 傳輸檢測標(biāo)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(cuò)誤檢測標(biāo)志：過載錯(cuò)誤(ORERR)，噪聲錯(cuò)誤(NERR)，幀格式錯(cuò)誤(FERR)，奇偶校驗(yàn)錯(cuò)誤(PERR)；

– 硬件流控操作標(biāo)志：CTS變化(CTSF)；

– LIN模式標(biāo)志：LIN斷開檢測(LBDF)；

– 多處理器通信模式標(biāo)志：IDLE幀檢測(IDLEF)；

– 智能卡模式標(biāo)志：塊結(jié)束(EBF)和接收超時(shí)(RTF)；

– 若相應(yīng)的中斷使能，這些事件發(fā)生將會(huì)觸發(fā)中斷。

USART0/1/2完全實(shí)現(xiàn)上述功能，但是UART3/4只實(shí)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(shí)現(xiàn)：

? 智能卡模式；

? 同步模式；

? 硬件流操作(CTS/RTS)；

? 設(shè)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(dāng)USART接收器準(zhǔn)備好接收新數(shù)據(jù)時(shí)就會(huì)將nRTS變成低電平；當(dāng)接收寄存器已滿時(shí)，nRTS將被設(shè)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(huì)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(dāng)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(shí)鐘輸出引腳。這個(gè)引腳僅適用于同步模式。具體各系列USART引腳對應(yīng)，可見相應(yīng)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(gè)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(biāo)準(zhǔn)波特率。

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

USART0的系統(tǒng)時(shí)鐘為PCLK2，USART1/2和UART3/4的系統(tǒng)時(shí)鐘為PCLK1。在使能USART之前，必須在時(shí)鐘控制單元使能系統(tǒng)時(shí)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(shè)置，當(dāng)WL位為0時(shí)表示8位數(shù)據(jù)字長，當(dāng)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(shí)際是包含了兩個(gè)寄存器，一個(gè)專門用于發(fā)送的可寫TDATA，一個(gè)專門用于接收的可讀RDATA。當(dāng)進(jìn)行發(fā)送操作時(shí)，往USART_DATA寫入數(shù)據(jù)會(huì)自動(dòng)存儲(chǔ)在TDATA內(nèi)；當(dāng)進(jìn)行讀取操作時(shí)，向USART_DATA讀取數(shù)據(jù)會(huì)自動(dòng)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(gè)位一個(gè)位傳輸?shù)?，發(fā)送時(shí)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(shí)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(shí)現(xiàn)高速數(shù)據(jù)傳輸。

校驗(yàn)控制：GD32系列控制器USART支持奇偶校驗(yàn)。當(dāng)使用校驗(yàn)位時(shí)，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(yàn)位總共9位，此時(shí)USART_CTL0寄存器的WL位需要設(shè)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(dòng)奇偶校驗(yàn)控制，奇偶校驗(yàn)由硬件自動(dòng)完成。啟動(dòng)了奇偶校驗(yàn)控制之后，在發(fā)送數(shù)據(jù)幀時(shí)會(huì)自動(dòng)添加校驗(yàn)位，接收數(shù)據(jù)時(shí)自動(dòng)驗(yàn)證校驗(yàn)位。接收數(shù)據(jù)時(shí)如果出現(xiàn)奇偶校驗(yàn)位驗(yàn)證失敗，會(huì)見USART_STAT0寄存器的PERR位置1，并可以產(chǎn)生奇偶校驗(yàn)中斷。

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

中斷控制：USART有多個(gè)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(shè)各系列功能差異如GD32各系列MCU USART外設(shè)功能差異表所示。

GD32 各系列 MCU USART 外設(shè)功能差異表

10.3.硬件連接說明

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

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(shè)時(shí)鐘配置、GPIO引腳 配置、USART外設(shè)配置、主函數(shù)介紹以及運(yùn)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(shè)配置

USART外設(shè)配置如代碼清單USART例程USART外設(shè)配置所示。首先是對各項(xiàng)外設(shè)時(shí)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(fù)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(fù)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(jí)分組。最后配置USART初始化：GD32全系列MCU中USART外設(shè)配置基本相同，在本例程中，USART既可以發(fā)送可以接收，GD32標(biāo)準(zhǔn)庫提供了USART各項(xiàng)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(shè)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(shí)，執(zhí)行數(shù)據(jù)接收，當(dāng)數(shù)據(jù)接收到設(shè)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(gè)部分，USART初始化、USART 輪詢發(fā)送 buffer 、 開啟中斷接收 buffer 當(dāng) 數(shù) 據(jù) 接 收 完 成 時(shí) 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<tx_size)
{
while(RESET!=usart_flag_get(USART0,USART_FLAG_TBE)){
usart_data_transmit(USART0,txbuffer[txcount++]);
}
while(RESET==usart_flag_get(USART0,USART_FLAG_TC));
}
usart_interrupt_enable(USART0, USART_INT_RBNE);
/* wait until USART receive the receiver_buffer */
 while(rxcount < rx_size);
 if(rxcount == rx_size)
 printf("\n\rUSART receive successfully!\n\r");
 while(1)
{
}
}

運(yùn)行結(jié)果 將USART_Example例程按照對應(yīng)的芯片工程編譯完成后，下載到對應(yīng)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(yùn)行結(jié)果所示。

10.5.USART 使用注意事項(xiàng)

(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(biāo)志作為 USART DMA 接收完成標(biāo)志，采用 TC 作為 USART DMA 發(fā)送完成標(biāo)志。

(2) USART 只要發(fā)送寄存器為空，就會(huì)一直有中斷，因此，要是不發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，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(shí)才打開；接收同理