在嵌入式系统开发领域，USART（Universal Synchronous/Asynchronous Receiver/Transmitter，通用同步 / 异步收发器）作为一种重要的串行通信接口，被广泛应用于各类设备间的数据交互场景。该通信协议凭借其简洁高效的数据传输机制，为不同设备模块搭建起可靠的信息交互桥梁。兆易创新推出的 GD32 系列微控制器，以卓越的处理性能、低功耗设计以及丰富的外设资源，在嵌入式市场中占据重要地位。本文将系统阐述 USART 的工作原理，并结合 C 语言编程，详细介绍在 GD32 微控制器平台上实现 USART 通信功能的具体方法。
一、USART 通信原理
1.1 基本概念
USART 是一种全双工的串行通信协议，它允许设备在两根信号线上（发送线 TX 和接收线 RX）同时进行数据的发送和接收。与并行通信相比，USART 使用更少的引脚资源，适合长距离、低速的数据传输场景，在嵌入式设备间通信、设备与上位机通信等方面广泛应用。
1.2 物理层特性
USART 通信的物理层主要涉及信号线和电平标准。一般情况下，使用 RX（接收）和 TX（发送）两根信号线实现数据传输。在 GD32 微控制器中，通常采用 TTL 电平标准，即低电平（0V）表示逻辑 “0”，高电平（3.3V）表示逻辑 “1” 。若要与采用 RS - 232 电平标准的设备通信，则需要借助电平转换芯片，如 MAX232，将 TTL 电平转换为 RS - 232 电平，反之亦然。
1.3 数据传输格式
USART 通信的数据帧格式由起始位、数据位、奇偶校验位和停止位组成。
起始位：固定为低电平，占用 1 位，用于标识一帧数据的开始，接收端通过检测起始位来同步数据接收。
数据位：可配置为 5 - 8 位，通常使用 8 位，用于传输实际的数据。数据位在传输时，低位先行。
奇偶校验位：可选无校验、奇校验或偶校验，占用 1 位。奇偶校验是一种简单的错误检测方法，通过计算数据位中 “1” 的个数，使加上奇偶校验位后 “1” 的总数符合奇校验或偶校验的规则，接收端据此判断数据在传输过程中是否发生错误。
停止位：可为 1 位、1.5 位或 2 位高电平，用于标识一帧数据的结束。停止位的长度可根据具体需求进行配置。
1.4 时序控制
USART 通信的时序由波特率决定，波特率表示每秒传输的二进制位数，单位为 bps（bits per second）。常见的波特率有 9600bps、19200bps、38400bps、57600bps、115200bps 等。发送端和接收端必须设置相同的波特率，才能确保数据正确传输。在 GD32 中，通过配置相关寄存器来设置波特率，其计算公式与具体的时钟源和分频系数有关 。
二、GD32 中 USART 的 C 语言实现
2.1 开发环境搭建
在开始编写代码前，需要搭建好 GD32 的开发环境。一般使用 MDK（Keil MDK）或 IAR 等集成开发环境，并安装 GD32 对应的器件支持包，以便能正确识别 GD32 微控制器的外设和寄存器，进行代码编写、编译和调试。
2.2 USART 初始化
下面是 GD32 中 USART 初始化的 C 语言代码示例，以 USART0 为例，配置波特率为 115200bps，8 位数据位，无校验位，1 位停止位：
#include "gd32f4xx.h"
void usart0_init(void)
{
// 使能GPIOA和USART0时钟
rcu_periph_clock_enable(RCU_GPIOA);
rcu_periph_clock_enable(RCU_USART0);
// 配置PA9为复用推挽输出（USART0_TX）
gpio_mode_set(GPIOA, GPIO_MODE_AF, GPIO_PUPD_NONE, GPIO_PIN_9);
gpio_output_options_set(GPIOA, GPIO_OTYPE_PP, GPIO_OSPEED_50MHZ, GPIO_PIN_9);
// 配置PA10为浮空输入（USART0_RX）
gpio_mode_set(GPIOA, GPIO_MODE_INPUT, GPIO_PUPD_NONE, GPIO_PIN_10);
// USART0初始化配置
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_mode_set(USART0, USART_MODE_TXRX);
// 使能USART0
usart_enable(USART0);
}
在上述代码中，首先通过rcu_periph_clock_enable函数使能 GPIOA 和 USART0 的时钟，确保后续对 GPIO 和 USART 寄存器的操作有效。接着，对 PA9 和 PA10 引脚进行配置，PA9 作为 USART0 的发送引脚，配置为复用推挽输出模式；PA10 作为接收引脚，配置为浮空输入模式。然后，使用usart_*系列函数对 USART0 的波特率、数据位、停止位、奇偶校验位、硬件流控制等参数进行配置，并设置为收发模式，最后使能 USART0。
2.3 数据发送
实现 USART 数据发送的函数如下，该函数可发送一个字节的数据：
void usart_send_byte(uint8_t data)
{
// 等待发送数据寄存器为空
while (RESET == usart_flag_get(USART0, USART_FLAG_TBE));
// 发送数据
usart_data_transmit(USART0, data);
}
函数中，通过usart_flag_get函数不断查询 USART0 的发送数据缓冲区空标志位（USART_FLAG_TBE），当该标志位为 SET 时，表示发送数据寄存器为空，可以写入新的数据。然后，使用usart_data_transmit函数将数据写入发送数据寄存器，实现数据发送。
如果要发送字符串，可以使用以下函数：
void usart_send_string(char *str)
{
while (*str != '\0')
{
usart_send_byte(*str);
str++;
}
}
该函数遍历字符串，逐个调用usart_send_byte函数发送字符，直到遇到字符串结束符'\0'。
2.4 数据接收
USART 数据接收可以采用轮询或中断的方式。下面是轮询方式接收一个字节数据的函数：
uint8_t usart_receive_byte(void)
{
// 等待接收数据寄存器非空
while (RESET == usart_flag_get(USART0, USART_FLAG_RBNE));
// 读取接收数据寄存器
return usart_data_receive(USART0);
}
函数通过查询 USART0 的接收数据缓冲区非空标志位（USART_FLAG_RBNE），当该标志位为 SET 时，表示接收数据寄存器中有数据可读，然后使用usart_data_receive函数读取数据并返回。
若采用中断方式接收数据，首先需要配置 USART 的中断，以接收中断为例：
void usart0_nvic_config(void)
{
nvic_irq_enable(USART0_IRQn, 0, 0);
usart_interrupt_enable(USART0, USART_INT_RBNE);
}
void USART0_IRQHandler(void)
{
if (SET == usart_interrupt_flag_get(USART0, USART_INT_FLAG_RBNE))
{
uint8_t receive_data = usart_data_receive(USART0);
// 处理接收到的数据，如存储到数组等
// ......
usart_interrupt_flag_clear(USART0, USART_INT_FLAG_RBNE);
}
}
在usart0_nvic_config函数中，使用nvic_irq_enable函数使能 USART0 的中断，并设置中断优先级，然后通过usart_interrupt_enable函数使能接收中断。在USART0_IRQHandler中断服务函数中，当检测到接收数据缓冲区非空中断标志位（USART_INT_FLAG_RBNE）为 SET 时，读取接收数据寄存器中的数据，并进行相应处理，最后清除中断标志位。
三、总结
本文详细介绍了 USART 通信原理，并基于 GD32 微控制器，通过 C 语言实现了 USART 的初始化、数据发送和接收功能，涵盖了轮询和中断两种数据接收方式。掌握 USART 通信在 GD32 中的应用，能为嵌入式系统的开发提供有力支持，无论是设备间的通信，还是与上位机的数据交互，都可以借助 USART 实现稳定的数据传输。后续还可以进一步探索 USART 在不同应用场景下的优化和扩展，如多机通信等功能。
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