串行通信（Serial Communication）是一種常見的通信方式，指的在發(fā)送或接收數(shù)據(jù)時逐位傳輸，一次只傳輸一位；與此相對的是并行通信，一次可傳輸多個數(shù)據(jù)位。相比于并行通信，串行通信雖然數(shù)據(jù)傳輸速率較慢，但其占用資源少、成本低、實現(xiàn)簡單，因此在嵌入式系統(tǒng)中應(yīng)用十分廣泛，而UART（通用異步收發(fā)器）則是眾多串行通信協(xié)議中最典型的一種。本期內(nèi)容將通過PC主機與RV-STAR開發(fā)板間的三個通信小實驗，簡單講解UART串口通信的應(yīng)用方法。

系統(tǒng)環(huán)境

Windows 10-64bit

軟件平臺

NucleiStudio IDE 202102版或 PlatformIO IDE

CoolTerm

硬件需求

RV-STAR開發(fā)板

GD32VF103 USART介紹
通用同步異步收發(fā)器（USART）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行傳輸。USART提供了可編程的波特率發(fā)生器及奇偶校驗位、數(shù)據(jù)位和停止位等可編程的串口特性。它還支持多處理器通信、多種狀態(tài)標志和硬件流控操作(CTS/RTS)。另外，USART還支持DMA功能，以實現(xiàn)高速率的數(shù)據(jù)通信（除了UART4）。

（USART模塊內(nèi)部框圖）

更多USART詳細特性可查閱《GD32VF103用戶手冊》。


RV-STAR的USB UART電路
在之前的文章中介紹過，RV-STAR的開發(fā)板上使用了一個雙端口的FT2232 USB設(shè)備芯片，一個端口用于JTAG調(diào)試，另一個端口可建立開發(fā)板到電腦的串口連接，其電路原理圖如下：

（GD32VF103部分引腳電路圖）

（FT2232部分引腳電路圖）

從電路原理圖可知，RV-STAR是通過UART4_TX（PC12）和UART4_RX（PD2）連接到FT2232芯片，進而和電腦建立連接，了解這個才便于我們稍后編寫實驗代碼。

實驗1：返回接收的字符
實驗1是讓RV-STAR開發(fā)板接收從PC主機發(fā)送的字符，再回發(fā)給PC主機。在進行UART編程的時候，首先需要對UART外設(shè)進行初始化，代碼片段如下：
void uart_init()
{
rcu_periph_clock_enable(RCU_GPIOC);
rcu_periph_clock_enable(RCU_GPIOD);
rcu_periph_clock_enable(RCU_UART4);

// UART4_TX - PC12
gpio_init(GPIOC, GPIO_MODE_AF_PP, GPIO_OSPEED_50MHZ, GPIO_PIN_12);
// UART4_RX - PD2
gpio_init(GPIOD, GPIO_MODE_IN_FLOATING, GPIO_OSPEED_50MHZ, GPIO_PIN_2);

usart_deinit(UART4);
usart_baudrate_set(UART4, 115200U);
usart_word_length_set(UART4, USART_WL_8BIT);
usart_stop_bit_set(UART4, USART_STB_1BIT);
usart_parity_config(UART4, USART_PM_NONE);
usart_hardware_flow_rts_config(UART4, USART_RTS_DISABLE);
usart_hardware_flow_cts_config(UART4, USART_CTS_DISABLE);
usart_receive_config(UART4, USART_RECEIVE_ENABLE);
usart_transmit_config(UART4, USART_TRANSMIT_ENABLE);
usart_enable(UART4);
}
首先需要初始化外設(shè)時鐘，然后將發(fā)送引腳初始化為推挽輸出模式、接收引腳初始化為浮空輸入模式，然后依次設(shè)置UART4的波特率（115200）、數(shù)據(jù)位（8位）、停止位（1位）、奇偶校驗位（無）、硬件流控以及使能收發(fā)器。UART發(fā)送器和接收器支持若干個中斷事件，為了保證接收數(shù)據(jù)的完整和及時，我們通常使用中斷的方式處理數(shù)據(jù)的接收，因此需要在主程序開始時進行中斷使能，這里使用非向量模式中斷，當接收器接受到數(shù)據(jù)幀，其狀態(tài)寄存器的RBNE產(chǎn)生置位時觸發(fā)中斷，其代碼片段如下：
int main()
{
uart_init();

ECLIC_Register_IRQ(UART4_IRQn, ECLIC_NON_VECTOR_INTERRUPT, ECLIC_LEVEL_TRIGGER, 1, 0, NULL);
__enable_irq();

usart_interrupt_enable(UART4, USART_INT_RBNE);

while (1);
}
主程序中只進行外設(shè)初始化和中斷使能，接收字符和回傳因為時間極短，可以都在中斷服務(wù)程序中處理：使用字符型變量c保存使用usart_data_receive()接收到的數(shù)據(jù)，然后再使用usart_data_transmit()發(fā)送出去（每次發(fā)送數(shù)據(jù)幀，需要等待USART_FLAG_TBE置位后再發(fā)送下一幀）。

void UART4_IRQHandler(void)
{
if (RESET != usart_interrupt_flag_get(UART4, USART_INT_FLAG_RBNE))
{
uint8_t c = usart_data_receive(UART4);

usart_data_transmit(UART4, c);
while (SET != usart_flag_get(UART4, USART_FLAG_TBE));
}
}

完成代碼編寫后，連接開發(fā)板，編譯并上傳代碼。為了屏蔽不同IDE的串口終端的差異，我們使用通用的PC串口軟件CoolTerm來觀察串口實驗的現(xiàn)象，它是一個免費而功能強大的串口調(diào)試軟件。

下載鏈接：

https://coolterm.sooftware.com/windows

首先打開Windows設(shè)備管理器，查看RV-STAR開發(fā)板的串口端口號（筆者的電腦上是COM15，讀者的電腦上可能不同）。

（設(shè)備管理器查看端口）

然后打開CoolTerm，點擊“Options”按鈕進行串口配置，選擇COM15端口，設(shè)置波特率為115200，其他采用默認設(shè)置（和代碼中對UART4串口的配置一致），點擊下方的“OK”按鈕后，點擊“Connect”按鈕，即可連接到RV-STAR的串口上。

（配置CoolTerm）

連接成功后，參照下圖，在“Connection”選項卡中找到“Send String”然后打開。

（打開發(fā)送窗口）

在發(fā)送窗口中，輸入字符，然后點擊“Send”發(fā)送，會發(fā)現(xiàn)RV-STAR將字符進行了回傳，并打印顯示在了終端窗口中。

（在發(fā)送窗口中輸入字符）

也可以不使用“Send String”，直接將光標移動到終端窗口中，然后鍵入字符，也可正?；仫@。

（直接在終端窗口中鍵入字符）

完整代碼請參考：

實驗2：控制板載RGB LED
實驗2是通過PC主機向RV-STAR的串口發(fā)送'r'，'g'，'b'三種不同的字符，用以控制RV-STAR的板載RGB LED產(chǎn)生不同的亮光。和實驗1的回傳字符程序不同的地方是，實驗2的代碼里使用了一個char類型的全局變量led_color作為主程序和中斷服務(wù)程序的橋梁，用于存儲在中斷服務(wù)程序中接收到的字符，然后在主程序的循環(huán)體中調(diào)用函數(shù)，據(jù)此變量改變led的狀態(tài)。完整代碼請參考：

實驗現(xiàn)象參考以下動圖，在CoolTerm終端中鍵入'r'，'g'，'b'字符，LED依次亮紅光、綠光和藍光。

實驗3：返回接收的字符串
實驗3是實驗1和實驗2的升級版，可以讓RV-STAR開發(fā)板接收從PC主機發(fā)送的一串字符串并進行回傳。其實現(xiàn)思路是：在全局變量中定義了一個數(shù)組用作接收數(shù)據(jù)的環(huán)形緩沖區(qū)，每次在接收中斷里將收到的字符存入環(huán)形緩沖區(qū)，在主循環(huán)中檢測接收緩沖區(qū)是否收到了一段完整的字符串（通過判斷頭尾指針和'\n'結(jié)束符），然后再將緩沖區(qū)中的字符依次傳出。在CoolTerm中的實驗現(xiàn)象參照下圖（需要鍵入一個回車光標作為結(jié)束符）：

完整代碼請參考：

“RVMCU課堂”專欄已在社區(qū)開通如有實驗相關(guān)問題可在專欄對應(yīng)文章下進行討論