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串口

一、串口通信原理

1.1串口基础知识

1.1.1串口介绍

串口是指外设和处理器之间通过数据信号线、地线和控制线等，按位进行传输数据的一种通讯方式。尽管传输速度比并行传输低。但串口可以在使用一根线发送数据的同时用另一根线接收数据。这种通信方式使用的数据线少，在远距离通信中可以节约通信成本。串口通信最重要的参数是波特率、数据位、停止位和奇偶校验位，这些参数在两个通信端口之间必须一致。

1.1.2串口通信参数介绍

波特率： 衡量通信速度的参数，它表示每秒钟传送的bit的个数。

数据位： 衡量通信中实际数据位的参数，表示一个信息包里包含的数据位的个数。

停止位： 用于表示单个信息包的最后位，典型值为1、1.5和2位。由于数据是在传输线上传输的，每个设备都有自己的时钟，很有可能在通信过程中出现不同步，停止位不仅仅表示传输的结束，还能提供校正时钟同步的机会。停止位的位数越多，不同时钟同步的容忍程度越大，但是数据传输率也越慢。

奇偶检验位： 表示一种简单的检查错误的方式。

1.1.3串口工作模式

串口可以工作在单工、半双工和全双工模式下。

单工：在通信的任意时刻，信息只能由A传到B。

半双工：在通信的任意时刻，信息即可由A传到B，又能由B传到A，但同时只能有一个方向上的传输存在。

全双工：在通信的任意时刻，通信线路上存在A到B和B到A的双向信号传输。

1.1.4串口通信协议

串口在进行通信的时候会按照数据包的形式进行发送，帧格式如图所示。

串口通信是一位一位地传输，每传输一个字符总是以起始位开始，以停止位结束，字符之间没有固定的时间间隔要求。

每一个字符的前面都有一位起始位（低电平），后面由7位数据位组成，接着是一位校验位，最后是停止位。

停止位后面是不定长的空闲位，停止位和空闲位都规定为高电平。

1.2串口接口原理图

在开发板上默认使用的串口是串口1，有两根数据线，也就是USART1_TX和USART1_RX。串口引脚和下载引脚连接在同一个端子上，插上DAPLink就可以进行下载和串口调试。关于串口原理图如图所示。

1.3串口驱动流程

拿到开发板，把DAPLink连接到开发板的端子上，打开串口调试助手（在资料包/02开发工具/串口调试工具/sscom5.13.1），然后会检测到一个串口，如图所示。

编写代码，先要配置串口使能，配置波特率、停止位、校验位等参数。然后调用串口发送函数即可发送数据。如使用重定向还需要编写重定向函数，使用printf即可打印输出。

二、串口打印信息

2.1串口配置

一般我们使用串口，都需要有以下几个步骤。

l  开启时钟（包括串口时钟和GPIO时钟）

l  配置GPIO复用模式

l  配置GPIO的模式

l  配置GPIO的输出

l  配置串口（配置一些参数）

l  使能串口（串口使能和发送使能）

2.1.1开启时钟

使用串口0的话就是PA9和PA10引脚。

可在芯片手册中查到，如下：

那第一步就是先开启端口A的时钟，在库函数点灯那一章节给大家介绍了使能时钟的函数rcu_periph_clock_enable，只需要传入对应的参数即可。使能端口A的时钟就把RCU_GPIOA当做参数传入。第二步就是开启串口的时钟，把对应的串口0的时钟RCU_USART0传入即可。为了方便后续修改，把端口A的时钟和串口0的时钟用宏定义定义，如下：

#define BSP_USART_RCU              RCU_USART0
#define BSP_USART_TX_RCU          RCU_GPIOA
#define BSP_USART_RX_RCU          RCU_GPIOA

然后对应的使能时钟的代码就是：

rcu_periph_clock_enable(BSP_USART_RCU); // 开启串口时钟
rcu_periph_clock_enable(BSP_USART_TX_RCU); // 开启端口时钟
rcu_periph_clock_enable(BSP_USART_RX_RCU); // 开启端口时钟

2.1.2配置GPIO复用模式

GD32的引脚是可以有复用功能的，就是说单个引脚可有很多个功能，默认的功能一般都是作为GPIO使用。在gd32f4xx_gpio.h中可以查找到设置复用的函数void gpio_af_set(uint32_t gpio_periph, uint32_t alt_func_num, uint32_t pin);

这个函数有三个参数，第一个参数就是要配置的引脚端口，第二个参数就是要复用的功能，第三个参数就是要配置的引脚。

固件库使用指南338页：

第一个参数和第三个参数我们知道分别为GPIOA，GPIO_PIN_9，GPIOA，GPIO_PIN_10。关于第二个参数可以到芯片数据手册的第46页进行查找，如图所示。

 

从图可以看到PA9对应的USART0_TX的功能复用为AF7，PA10对应的USART0_RX的功能复用为AF7，那第二个参数我们也知道了。接下来就可以开启PA9,PA10的复用功能了。代码编写如下。首先定义一下端口和复用功能的宏定义。

#define BSP_USART_TX_PORT      GPIOA
#define BSP_USART_TX_PIN        GPIO_PIN_9
#define BSP_USART_RX_PORT       GPIOA
#define BSP_USART_RX_PIN        GPIO_PIN_10
#define BSP_USART_AF        GPIO_AF_7  // 串口是引脚复用功能7
/* 配置复用功能 */
gpio_af_set(BSP_USART_TX_PORT,BSP_USART_AF,BSP_USART_TX_PIN);
gpio_af_set(BSP_USART_RX_PORT,BSP_USART_AF,BSP_USART_RX_PIN);

通过上面两句就可以把PA9,PA10设置为串口功能了。

2.1.3配置GPIO的模式

配置GPIO的模式还是使用gpio_mode_set这个函数，不同的是第二个参数要配置为复用功能而不是输出功能，第三个参数要配置为上拉。

转化为代码如下。

/* 配置TX为复用模式 上拉模式 */
gpio_mode_set(BSP_USART_TX_PORT, GPIO_MODE_AF, GPIO_PUPD_PULLUP, BSP_USART_TX_PIN);
/* 配置RX为复用模式 上拉模式 */
gpio_mode_set(BSP_USART_RX_PORT, GPIO_MODE_AF, GPIO_PUPD_PULLUP, BSP_USART_RX_PIN);

根据官方给的代码例程，需要GPIO引脚需要上拉：

用户手册497页，引脚描述如下：

 

2.1.4配置GPIO的输出

配置GPIO的输出也还是用gpio_output_options_set这个函数，这个和之前库函数点灯配置的一样，修改一下引脚就可以直接套用。

/* 配置TX为推挽输出 50MHZ */
gpio_output_options_set(BSP_USART_TX_PORT, GPIO_OTYPE_PP, GPIO_OSPEED_50MHZ, BSP_USART_TX_PIN);
/* 配置RX为推挽输出 50MHZ */
gpio_output_options_set(BSP_USART_RX_PORT, GPIO_OTYPE_PP, GPIO_OSPEED_50MHZ, BSP_USART_RX_PIN);

当我们配置为输出模式的时候，可以有两种输出模式选择，一种是推挽输出模式，一种是开漏输出模式。由于开漏需要外接上拉电阻才可以输出高电平，这里并不适合，所以需要设置为推挽输出。

2.1.5配置串口

和之前库函数点灯不同的是，使用串口还需要进行串口的配置。前面只是对GPIO的引脚做了配置，然后就可以操作GPIO进行输入输出，但是要使用串口，还需要设置串口的一些参数，后面使用其它的资源也是如此。

在前一章节的串口原理介绍中讲到串口有几个必要的参数，分别是波特率，校验位，数据位，停止位。在代码里也就是要设置这几个参数。

（1）复位

在使用一个外设之前，可以先复位一下，防止一些不必要的事情发生。在对应的外设库文件中一般都会有这个函数。在gd32f4xx_uart.h头文件中有。这个函数复位串口。有一个参数，就是要复位的串口：void usart_deinit(uint32_t usart_periph);

（2）波特率

这个函数设置波特率。有两个参数，分别为要设置的串口和要设置的波特率：void usart_baudrate_set(uint32_t usart_periph, uint32_t baudval);

（3）校验功能

这个函数配置校验功能。有两个参数，第一个就是要配置的串口，第二个就是设置校验方式：void usart_parity_config(uint32_t usart_periph, uint32_t paritycfg);关于校验方式的选项如图所示。

从图可以看到，校验方式可以选择奇校验、偶检验和无校验。一般配置为无校验即可。

（4）数据为长度

这个函数设置数据位的长度。有两个参数，第一个参数就是要配置的串口，第二个参数就是要设置的数据位的长度：void usart_word_length_set(uint32_t usart_periph, uint32_t wlen);关于数据位长度的选项如图所示。

从图可以知道关于数据长度有两个选项，一般选择8位即可。

（5）停止位

这个函数设置停止位的位数。有两个参数，第一个参数就是要配置的串口，第二个参数就是要设置的停止位的位数，关于停止位的位数的选项如图所示。

停止位一般选择1位即可。

根据以上所学，编写串口配置代码如下：

/* 串口配置*/   
usart_deinit(BSP_USART); // 复位串口   
usart_baudrate_set(BSP_USART,dwbaud_rate); // 设置波特率   
usart_parity_config(BSP_USART,USART_PM_NONE); // 没有校验位   
usart_word_length_set(BSP_USART,USART_WL_8BIT); // 8位数据位   
usart_stop_bit_set(BSP_USART,USART_STB_1BIT); // 1位停止位

这里要注意一下BSP_USART是一个宏定义

#define BSP_USART    USART0

dwbaud_rate是函数里的一个形参，为了方便修改串口的波特率，函数实体为void usart_gpio_config(uint32_t dwbaud_rate)，在使用的时候，可以直接传入对应的波特率，例如配置波特率为115200，转化为代码可写为

usart_gpio_config(115200); // 串口配置

如还需要配置其它的参数请查找对应的函数调用即可。

2.1.6使能串口

串口配置好之后并不能开始工作，还需要去使能，就是相当于有一个开关可以打开关闭。值得注意的是发送和接收也需要分别去使能，串口使能相当于一个总开关，发送和接收相当于分别控制的开关。要使用串口，首先要打开总开关。

这个函数使能串口，有一个参数，就是要使能的串口：void usart_enable(uint32_t usart_periph);

如果要发送数据的话还需要使能发送功能：void usart_transmit_config(uint32_t usart_periph, uint32_t txconfig);这个函数配置串口发送。有两个参数，第二个参数对应的选项如图所示。

从图中可以看到，如果使能串口发送就配置为USART_TRANSMIT_ENABLE。

要接收数据的话还需要使能接收功能。这个函数配置串口接收。void usart_receive_config(uint32_t usart_periph, uint32_t rxconfig);有一个参数，对应的选项如图所示。

从图中可以看到，如果使能串口接收就配置为USART_RECEIVE_ENABLE。

我们只使用串口发送功能，所以只需要配置串口使能和串口发送使能即可。转化为代码为

usart_transmit_config(BSP_USART,USART_TRANSMIT_ENABLE); // 使能串口发送

usart_enable(BSP_USART); // 使能串口

2.2串口发送数据

配置好串口之后，下一步的操作就是要发送数据。

void usart_data_transmit(uint32_t usart_periph, uint32_t data); 这个函数可以发送数据，有两个参数，第一个参数是要使用的串口，第二个参数是要发送的数据，不过需要注意的是这个函数一次只能发送一个字节。要保证串口稳定的传输，就需要在发送完一个字节之后再发送下一个字节。需要去检测数据发送完成。

FlagStatus usart_flag_get(uint32_t usart_periph, usart_flag_enum flag); 这个函数是获取状态寄存器的标志。有两个参数，第一个参数是要使用的串口，第二个参数是要获取的状态位，状态位选项为图所示（只截取一部分）。

可以获取发送缓冲区的标志位（缓冲区空标志TBE），看当前是否还有数据，如果有数据，将等待，如果没有数据就可以继续发送。

从图可以了解到当将要发送的数据写入USART_DATA时，此位被清0，当数据发送完成之后，此位置1。所以当检测到此位为1时就表明当前数据缓冲区为空，可以继续发送数据。

关于串口发送数据可以封装为一个函数如下

void usart_send_data(uint8_t ucch)
{
    usart_data_transmit(BSP_USART, (uint8_t)ucch); 
    while(RESET == usart_flag_get(BSP_USART, USART_FLAG_TBE)); // 等待发送数据缓冲区标志置位
}

这样一个字符一个字符的打印输出是不是很麻烦，没关系，我们可以再进行封装一层，一次发送一个字符串。

void usart_send_String(uint8_t *ucstr)
{  
      while(ucstr && *ucstr)  // 地址为空或者值为空跳出  
      {    
        usart_send_data(*ucstr++);   
      }
}

2.3串口重定向

上面封装的发送字符串的方式打印信息看似方便，但如果我们想要打印数字，小数，该怎么打印呢？大家是否习惯使用了printf这个函数，可以通过%d,%f打印整形和小数，这一小节就教大家怎么把串口重定向到printf函数。

2.3.1串口重定向介绍

C语言中的printf函数默认输出设备是显示器，如果要在串口显示，必须重新定义标准库函数里调用的与输出设备相关的函数。需要注意的是，在keil中使用printf一定要勾选“微库”选项。

2.3.2 printf重定向

首先c语言的printf函数中不断循环调用fputc函数，所以需要重写fputc函数，这个函数的功能就是打印输出一个字符，这不正和我们编写的usart_send_data函数功能一样。fputc函数可写为

int fputc(int ch, FILE *f)
{    
    usart_data_transmit(BSP_USART, (uint8_t)ch);  
    while(RESET == usart_flag_get(BSP_USART, USART_FLAG_TBE)); // 等待发送数据缓冲区标志置位 
    return ch;
}

编写好fputc函数之后就可以使用printf函数输出信息了。只要将fputc函数放入主函数，或者其他可以包括的.c文件中即可。

2.4举一反三

通过上面的一系列步骤，我们可以用串口0发送数据，那如果用串口1发送数据，该如何操作呢？

还记得我们前面配置的宏定义吗，宏定义的好处就是方便移植。把串口0改为串口1，函数主体都不用修改，只需要修改宏定义即可。

串口1的引脚接口为PA2和PA3，所以串口1的宏定义如图所示。

#define BSP_USART_RCU              RCU_USART1
#define BSP_USART_TX_RCU          RCU_GPIOA
#define BSP_USART_TX_PORT              GPIOA
#define BSP_USART_TX_PIN          GPIO_PIN_2
#define BSP_USART_RX_RCU          RCU_GPIOA
#define BSP_USART_RX_PORT              GPIOA
#define BSP_USART_RX_PIN          GPIO_PIN_3
#define BSP_USART_AF                GPIO_AF_7  // 串口是引脚复用功能7
#define BSP_USART                USART1

代码中只需要将串口0的宏定义修改为串口1的宏定义就可以使用串口1发送信息了。

2.5实验现象

 

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