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15.1實驗內容

通過本實驗主要學習以下內容：

串口簡介
GD32F303串口工作原理
使用printf打印信息

15.2實驗原理

15.2.1串口簡介

串口，從廣義上看，指所有串行通信接口，比如RS232、RS422、RS485、SPI、IIC等。串行通訊是指僅用一根接收線和一根發送線就能將數據以位進行傳輸的通訊方式。和串行通訊相對應的是并行通訊，并行通信指一個傳輸接口可以傳輸8個bit即一個byte（有時甚至更多），雖然串行通信比并行通信慢，但是串口可以在僅僅使用兩根線的情況下就能實現數據的傳輸。

對于GD32F303來說，串口一般特指USART（通用同步異步收發器）和UART（通用異步收發器）。USART/UART提供了一個靈活方便的串行數據交換接口，數據幀可以通過全雙工或半雙工，同步或異步的方式進行傳輸。紅楓派開發板搭載的GD32F303ZET6總共擁有5個串口，（USART+UART）對于一般應用來說足夠使用了。

15.2.2串口通信幀介紹

GD32F303的串口通信只需要3條線組成，分別為TX（發送線）、RX（接收線）和GND，對于兩個通信結點，TX和RX需要交叉連接，如下示例：

下面來介紹下串口數據幀組成。

以下為一個標準的串口通信幀：

一個串口幀由空閑、起始位、數據位、校驗位以及停止位組成，傳輸的數據地位在前，高位再后。

空閑：串口TX或RX數據線上沒有傳輸任何數據時，則該線處于為空閑狀態。空閑是TX和RX都是處于高電平。

起始位：占一個bit時間，標志數據起始，由一個邏輯0（低電平）的數據位表示。當發送方開始發送一幀數據時，起始位會最先發送，而對于接收方來說，檢測到起始位后，即使自己的接收時鐘與發送方的數據同步。

數據位：數據位緊跟在起始位之后，是通信中的真正有效信息。數據位的位數可以由通信雙方共同約定，對于GD32F303來說，數據位一般只有8位。

校驗位：校驗位占一bit時間，GD32F303可以設置校驗位為：奇校驗、偶校驗或無校驗。校驗位是為了保證通信的可靠性，如果是奇校驗，需要保證傳輸的數據總共有奇數個邏輯高位，如果是偶校驗，需要保證傳輸的數據總共有偶數個邏輯高位。以傳輸傳輸數據A：0x01000001為例，如果設置了奇校驗，則需要在校驗位傳輸“1”，如果是偶檢驗，則傳輸“0”。奇偶校驗是由硬件處理的，當設置好校驗位后，硬件會自動根據需要傳輸的數據自動插入校驗位。

注意：GD32F303的數據位可設置為8bit和9bit兩種方式，當設置了奇校驗或偶校驗，一定要將數據位設置為9bit；而設置了無校驗時，需要將數據位設置為8bit。

停止位：它是一幀數據的結束標志，可以是1bit、1.5bit、2bit個邏輯“1”。

15.2.3串口波特率

波特率是串口通信中一個非常重要的參數，串口通信傳輸雙方必須要設置一樣的串口波特率，否則通訊就會出錯。波特率可以認為是比特率，即每秒傳輸的位數。一般波特率可以是9600、19200、115200等等，如果設置波特率為9600，設置通信幀為1bit起始位+8bit數據幀+無校驗+1bit停止位，那么每秒鐘最多可以傳輸9600bit/10bit = 960個字節。

現在重點介紹下GD32F303串口接收器的工作原理。GD32F303串口接收器采用的是16倍過采樣，即發送方發送數據后，GD32F303串口接受器都會將每個bit采樣16次：

在默認情況下，接收器通過獲取三個采樣點的值來估計該位的值。如果在3個采樣點中有2個或3個為0，該數據位被視為0，否則為1。如果3個采樣點中有一個采樣點的值與其他兩個不同，不管是起始位，數據位，奇偶校驗位或者停止位，都將產生噪聲錯誤（NERR）。

15.2.4GD32F303串口設置步驟

串口設置的一般步驟為：

GPIO時鐘開啟、串口時鐘開啟
GPIO設置，一般發送IO需要設置為AF模式，接受IO設置為in-floating模式
串口復位
串口參數配置，主要為波特率、數據位長度、校驗位設置、停止位長度
依據是否需要使用中斷或DMA進行中斷配置或DMA配置
使能串口
編寫中斷處理函數

15.3硬件設計

紅楓派開發板設計了一個USB轉UART功能，通過USB TypeC線將電腦和開發板連接起來，就可以進行電腦和開發板之間的串口通訊了。

15.4代碼解析

15.4.1在driver_uart.c中定義了串口初始化函數driver_uart_init。

C
void driver_uart_init(typdef_uart_struct *uartx)
{
rcu_periph_clock_enable(uartx->rcu_uart_x);
usart_deinit(uartx->uart_x);
driver_gpio_general_init(uartx->uart_rx_gpio);
driver_gpio_general_init(uartx->uart_tx_gpio);
if(uartx->uart_mode_rx==MODE_DMA)
{
if(uartx->uart_rx_dma!=NULL)
{
driver_dma_com_init(uartx->uart_rx_dma,(uint32_t)&USART_DATA(uartx->uart_x),NULL,DMA_Width_8BIT,DMA_PERIPHERAL_TO_MEMORY);
usart_interrupt_enable(uartx->uart_x,USART_INT_IDLE);
}
}

if(uartx->uart_mode_tx==MODE_DMA)
{
if(uartx->uart_tx_dma!=NULL)
{
driver_dma_com_init(uartx->uart_tx_dma,(uint32_t)&USART_DATA(uartx->uart_x),NULL,DMA_Width_8BIT,DMA_MEMORY_TO_PERIPHERAL);
}
}
usart_baudrate_set(uartx->uart_x, uartx->baudrate);
usart_receive_config(uartx->uart_x, USART_RECEIVE_ENABLE);
usart_transmit_config(uartx->uart_x, USART_TRANSMIT_ENABLE);
usart_word_length_set(uartx->uart_x, uartx->data_length);
usart_parity_config(uartx->uart_x, uartx->parity);
usart_enable(uartx->uart_x);
}

15.4.2重定向函數int fputc(int ch, FILE *f)

要使用Printf，重定向函數fputc是必須的。在C 語言標準庫中，fputc函數是printf 函數內部的一個函數，功能是將字符ch寫入到文件指針file所指向文件的當前寫指針位置，簡單理解就是把字符寫入到特定文件中。我們使用USART函數重新修改fputc函數內容，達到類似“寫入”的功能。

fputc定義在bsp_uart.c中

C
int fputc(int ch, FILE *f)
{
driver_uart_transmit_byte(&BOARD_UART,(uint8_t)ch);
return ch;
}

這個函數比較簡單，就是調用了接口driver_uart_transmit_byte，該接口定義在driver_uart.c中：

C
Drv_Err driver_uart_transmit_byte(typdef_uart_struct *uartx,uint8_t data)
{
uint32_t timeout = driver_tick;
while(uartx->uart_control.Com_Flag.Bits.SendState==1)
{
if((timeout+UART_TIMEOUT_MS) <= driver_tick)?
{
uartx->uart_control.Com_Flag.Bits.SendState=0;
return DRV_ERROR;
}
}

Drv_Err uart_state=DRV_SUCCESS;
uartx->uart_control.Com_Flag.Bits.SendSucess=0;
uartx->uart_control.Com_Flag.Bits.SendState=1;
uart_state=driver_uart_flag_wait_timeout(uartx,USART_FLAG_TBE,SET);
usart_data_transmit(uartx->uart_x,data);
uartx->uart_control.Com_Flag.Bits.SendSucess=1;
uartx->uart_control.Com_Flag.Bits.SendState=0;
return uart_state;
}

這段代碼作用是，循環去讀串口的TBE標志位，并且將待發送的數據寫到串口寄存器中。

15.4.3main函數實現

串口初始化完成并定義好fputc重定向函數后，就可以通過printf函數往電腦上打印數據了。以下main函數：

C
int main(void)
{
delay_init();
bsp_uart_init(&BOARD_UART);
bsp_led_init(&LED0);
while(1)
{
delay_ms(1000);
bsp_led_toggle(&LED0);
printf("printf:system driver_tick is %lld \r\n",driver_tick);
}
}

本例程main函數首先進行了延時函數初始化，再配置開發板上的USB串口，并設置了一個LED燈用來提示代碼運行。while（1）循環中先延時1s，再翻轉一次LED狀態，接著使用printf函數打印系統運行tick時間。

15.5實驗結果

使用USB-TypeC線，連接電腦和板上USB to UART口后，配置好串口調試助手，即可看到每秒鐘串口打印的數據了。

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