【紫藤派開發(fā)板】第九講 USART-printf打印實(shí)驗(yàn)
9.1 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容
通過本實(shí)驗(yàn)主要學(xué)習(xí)以下內(nèi)容：
? 串口簡介
? GD32F470串口工作原理
? 使用printf打印信息
9.2 實(shí)驗(yàn)原理
9.2.1 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(fā)送線就能將數(shù)據(jù)以位進(jìn)行傳輸?shù)耐ㄓ嵎绞?。和串行通訊相對?yīng)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(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳輸。
對于GD32F470來說，串口一般特指USART（通用同步異步收發(fā)器 ?）和UART（通用異步收發(fā)器 ?）。USART/UART提供了一個靈活方便的串行數(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。紫藤派開發(fā)板搭載的GD32F470最多有8個串口（USART+UART）， 對于一般應(yīng)用來說足夠使用了。
9.2.2 串口通信幀介紹
GD32F470的串口通信只需要3條線組成，分別為TX（發(fā)送線）、RX（接收線）和GND，對于兩個通信結(jié)點(diǎn)，TX和RX需要交叉連接，如下示例：
下面來介紹下串口數(shù)據(jù)幀組成。
以下為一個標(biāo)準(zhǔn)的串口通信幀：
一個串口幀由空閑、起始位、數(shù)據(jù)位、校驗(yàn)位以及停止位組成，傳輸?shù)臄?shù)據(jù)地位在前，高位再后。
空閑：串口TX或RX數(shù)據(jù)線上沒有傳輸任何數(shù)據(jù)時，則該線處于為空閑狀態(tài)?？臻e是TX和RX都是處于高電平。
起始位：占一個bit時間，標(biāo)志數(shù)據(jù)起始，由一個邏輯0（低電平）的數(shù)據(jù)位表示。當(dāng)發(fā)送方開始發(fā)送一幀數(shù)據(jù)時，起始位會最先發(fā)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(fā)送方的數(shù)據(jù)同步。
數(shù)據(jù)位：數(shù)據(jù)位緊跟在起始位之后，是通信中的真正有效信息。數(shù)據(jù)位的位數(shù)可以由通信雙方共同約定，對于GD32F470來說，數(shù)據(jù)位一般只有8位。
校驗(yàn)位：校驗(yàn)位占一bit時間，GD32F470可以設(shè)置校驗(yàn)位為：奇校驗(yàn)、偶校驗(yàn)或無校驗(yàn)。校驗(yàn)位是為了保證通信的可靠性，如果是奇校驗(yàn)，需要保證傳輸?shù)臄?shù)據(jù)總共有奇數(shù)個邏輯高位，如果是偶校驗(yàn)，需要保證傳輸?shù)臄?shù)據(jù)總共有偶數(shù)個邏輯高位。以傳輸傳輸數(shù)據(jù)A：0x01000001為例，如果設(shè)置了奇校驗(yàn)，則需要在校驗(yàn)位傳輸“1”，如果是偶檢驗(yàn)，則傳輸“0”。奇偶校驗(yàn)是由硬件處理的，當(dāng)設(shè)置好校驗(yàn)位后，硬件會自動根據(jù)需要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)自動插入校驗(yàn)位。
注意：GD32F470的數(shù)據(jù)位可設(shè)置為8bit和9bit兩種方式，當(dāng)設(shè)置了奇校驗(yàn)或偶校驗(yàn)，一定要將數(shù)據(jù)位設(shè)置為9bit；而設(shè)置了無校驗(yàn)時，需要將數(shù)據(jù)位設(shè)置為8bit。
停止位：它是一幀數(shù)據(jù)的結(jié)束標(biāo)志，可以是1bit、1.5bit、2bit個邏輯“1”。
9.2.3 串口波特率
波特率是串口通信中一個非常重要的參數(shù)，串口通信傳輸雙方必須要設(shè)置一樣的串口波特率，否則通訊就會出錯。波特率可以認(rèn)為是比特率，即每秒傳輸?shù)奈粩?shù)。一般波特率可以是9600、19200、115200等等，如果設(shè)置波特率為9600，設(shè)置通信幀為1bit起始位+8bit數(shù)據(jù)幀+無校驗(yàn)+1bit停止位，那么每秒鐘最多可以傳輸9600bit/10bit = 960個字節(jié)。
現(xiàn)在重點(diǎn)介紹下GD32F470串口接收器的工作原理。GD32F470串口接收器支持16倍（默認(rèn)）過采樣和8倍過采樣，16位過采樣即發(fā)送方發(fā)送數(shù)據(jù)后，GD32470串口接受器會將每個bit采樣16次，如果是8倍過采樣，則采用8次。下圖為16位過采樣的示意圖：
在默認(rèn)情況下，接收器通過獲取三個采樣點(diǎn)的值來估計(jì)該位的值，其中16倍過采樣選取采樣點(diǎn)為第7、8、9點(diǎn)，而8倍過采樣為第3、4、5采樣點(diǎn)。如果在3個采樣點(diǎn)中有2個或3個為0，該數(shù)據(jù)位被視為0，否則為1。如果3個采樣點(diǎn)中有一個采樣點(diǎn)的值與其他兩個不同，不管是起始位，數(shù)據(jù)位，奇偶校驗(yàn)位或者停止位，都將產(chǎn)生噪聲錯誤（NERR）。
9.2.4 GD32F470串口設(shè)置步驟
串口設(shè)置的一般步驟為：
- GPIO時鐘開啟、串口時鐘開啟
- GPIO設(shè)置，發(fā)送和接受都要設(shè)置為AF模式，且需要設(shè)置為正確的AF號
- 串口復(fù)位
- 串口參數(shù)配置，主要為波特率、數(shù)據(jù)位長度、校驗(yàn)位設(shè)置、停止位長度
- 依據(jù)是否需要使用中斷或DMA進(jìn)行中斷配置或DMA配置
- 使能串口
- 編寫中斷處理函數(shù)
9.3 硬件設(shè)計(jì)
紫藤派開發(fā)板的P1接口將USART0——PA9、PA10引出，讀者可以通過P1口使用USART0：
9.4 代碼解析
9.4.1 在driver_uart.c中定義了串口初始化函數(shù)driver_uart_init。
C
void driver_uart_init(typdef_uart_struct *uartx)
{
rcu_periph_clock_enable(uartx->rcu_uart_x);
/* USART configure */
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_PERIPH_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_PERIPH);
}
}
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);
}
9.4.2 重定向函數(shù)int fputc(int ch, FILE *f)
要使用Printf，重定向函數(shù)fputc 是必須的。在C 語言標(biāo)準(zhǔn)庫中，fputc 函數(shù)是printf 函數(shù)內(nèi)部的一個函數(shù)，功能是將字符ch 寫入到文件指針file所指向文件的當(dāng)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(shù)重新修改fputc 函數(shù)內(nèi)容，達(dá)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(shù)比較簡單，就是調(diào)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)
{
uint64_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(huán)去讀串口的TBE標(biāo)志位，并且將待發(fā)送的數(shù)據(jù)寫到串口寄存器中。
9.4.3 main函數(shù)實(shí)現(xiàn)
串口初始化完成并定義好fputc重定向函數(shù)后，就可以通過printf函數(shù)往電腦上打印數(shù)據(jù)了。以下main函數(shù)：
C
int main(void)
{
//延時和公共驅(qū)動部分初始化
driver_init();
//串口初始化,DMA模式開啟
BOARD_UART.uart_mode_tx=MODE_DMA;
bsp_uart_init(&BOARD_UART);
bsp_led_init(&LED2);
//打開對應(yīng)串口的中斷
nvic_irq_enable(USART0_IRQn,2,0);
while(1)
{
//printg標(biāo)準(zhǔn)打?。ㄝ営?xùn)）
printf_log("\r\ndelay 1s \r\n");
delay_ms(1000);
bsp_led_toggle(&LED2);
printf_log("printf:system driver_tick is %lld \r\n",driver_tick);
//輪訓(xùn)方式打印
memset(uart_poll_buff,0,50);//清零buff
sprintf((char*)uart_poll_buff,"poll transmit:system
driver_tick is %lld \r\n",driver_tick);//格式化字符串
driver_uart_poll_transmit(&BOARD_UART,uart_poll_buff,strlen((const char*)uart_poll_buff));
bsp_lcd_printf("%s",uart_poll_buff);
//中斷方式打印
memset(uart_int_buff,0,50);
sprintf((char*)uart_int_buff,"int transmit:system driver_tick is %lld \r\n",driver_tick);
driver_uart_int_transmit(&BOARD_UART,uart_int_buff,strlen((const char*)uart_int_buff));
bsp_lcd_printf("%s",uart_poll_buff);
//DMA方式打印
memset(uart_dma_buff,0,50);
sprintf((char*)uart_dma_buff,"dma transmit:system driver_tick is %lld \r\n",driver_tick);
driver_uart_dma_transmit(&BOARD_UART,uart_dma_buff,strlen((const char*)uart_dma_buff));
bsp_lcd_printf("%s",uart_poll_buff);
}
}
本例程main函數(shù)首先進(jìn)行了延時函數(shù)初始化，并設(shè)置了一個LED燈用來提示代碼運(yùn)行。while（1）循環(huán)中先延時1s，再翻轉(zhuǎn)一次LED狀態(tài)，接著使用printf函數(shù)打印系統(tǒng)運(yùn)行tick時間。
本例程也同步做了printf打印在LCD屏幕的功能，將LCD屏接在紫藤派開發(fā)板上后，打印信息將同步在顯示屏上顯示。
9.5 實(shí)驗(yàn)結(jié)果
使用USB轉(zhuǎn)TTL串口的連接線后，配置好串口調(diào)試助手，即可看到每秒鐘串口打印的數(shù)據(jù)了。
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