十二.UART串口通讯
一个嵌入式设备，串口基本上就是最常用到的外设了，通过串口可以将开发板和电脑连接，也有很多外设是通过串口来进行数据交互的。今天就来搞一下I.MX6UL的串口通讯，实现和电脑通讯的效果。
UART接口
I.MX6UL的串口外设叫做UART(Universal Asynchronous Receiver/Trasmitter)，即异步串行收发器。UART作为串口的一种，其工作原理也是将数据位一帧一帧的进行传输，数据的发送和接收共用一条线缆，所以UART接口与外设相连的时候最少需要3根线：TXD、RXD和GND。下面的图是UART的通讯格式
起始位(StartBit)是一个逻辑0
空闲位：在起始位前面的状态为逻辑1,表示没有数据，空闲中。
数据位：实际要传输的数据，一般是按照字节阐述，一个字节8位，低位在前先传输，高位在后面传输。
停止位(StopBit)逻辑1，位数可以是1、1.5或2个bit。
UART电平标准
UART一般接口电平有TTL和RS232电平，开发板上的TXD和RXD对应的就是TTL电平，使用低电平表示0,高电平表示1；而DB9接口就是对应的RS232接口，用-3~-15V表示逻辑1,+3~+15V表示逻辑0,采用差分线连接。在使用RS232时候一定要注意接口电平，不要烧毁外设。
由于现在电脑上基本都不带COM口，而在写单片机什么的需要串口，这就需要一个USB转TTL电平的芯片。最常用的就是CH340。比如Arduino(nano版)的的背后就有个CH340C。用过这个芯片和USB连接就可以实现串口功能(很多USB转232的设备就是用的这个芯片)。
I.MX6UL的UART接口
I.MX6UL提供了8组UART接口，结构体如下：
具备如下特点：
- 兼容TIA/EIA-232-F标准，最高速率5.0M/s
- 支持串行IR接口，兼容IrDA，最高速率115200bps
- 支持9位或多点的RS-485模式
- 232可以选择7或8位的字符格式，485模式9bit格式
- 停止位1或2个bit
- 可编程的奇偶校验
- 最高到115200bit/s自动波特率检测
- 等等等等，太多了
IMX.6UL的UART的功能有非常多，我们这里只用做最基础的串口通讯功能，具体的实际作用参考手册Chapter 55给了非常详细的介绍。
主要寄存器
UART相关寄存器也比较多，因为Soc一共有8组UART，这里截取；一组的寄存器映射
但是要注意的是，虽然8组UART里各个寄存器功能序列是一样的，但是这个内存映射不是从UART1开始的，而是从UART7开始的。
下面看看几个我们要用到的寄存器
UARTx_URXD
接收数据寄存器UART Receiver Register，寄存器结构如下：
寄存器全部为只读，我们主要用到就是最后的低8位，用来存储接收的数据。另外，bit[10]=1时可以在RS485模式下，数据结构为9bit时保存第九个bit的数据
UARTx_UTXD
发送数据寄存器UART Transmitter Register，用来存放待发送的数据。
寄存器低8位有效，在7bit数据结构下，bit[7]可以忽略，如果想要将数据写入该寄存器，需要确认TRDY(UARTx_UCR1[13])必须为高电平，即当前没有数据被发送。
UARTx_UCR1
控制寄存器1(UART Control Register 1)UART提供了4组控制寄存器用来对其进行功能设置，首先是UCR1，先看寄存器结构
ADEN(bit[15])Automatic Baud Rate Detection Interrupt Enable，自动波特率侦测中断使能 ，允许ADET标志位(UARTx_USR2 bit[15])触发中断
ADBR(bit[14])Automatic Detection of Baud Rate，自动检测波特率使能，大概意思就是当该位值为1且ADET被清除时，接收器通过接收一个字符A或者a,对比其ASCII码为0x41或0x61，去确认合适的比特率。
TRDYEN(bit[13])Transmitter Ready Interrupt Enable，数据发送准备中断使能
IDEN(bit[12])Idle Condition Detected Interrupt Enable，一个什么中断使能，这个暂时没搞懂，暂时应该也用不上
中间几个中断使能就不说了，最后一个就是UART的使能UARTEN(bit[0])，整个寄存器我们暂时应该也就是能用到这一个bit。(自动获取波特率只能到115200，先关闭不用)
UARTx_UCR2
控制寄存器2，寄存器结构如下
手册上有很详细的解释，这里只说一下需要用到的几个
IRTS(bit[14])Ignore RTS Pin，1时忽略RTS引脚，我们在使用TTL电平串口信号时只用到RXD和TXD，RTS和CTS一般是不使用的，设置为1即可。
PREN(bit[8])Parity Enable，校验使能，1时使能校验功能
PROE(bit[7])Parity Odd/Even，校验方式：1为奇校验，0为偶校验
STPB(bit[6])停止位，0时停止位1bit，1时2bit
WS(bit[5])Word Size，数据位长度，0时7bit，1时8bit(该长度不包含起始、结束及校验位)
TXEN(bit[2])Transmitter Enable，发送数据使能，1时使能
RXEN(bit[1])Receiver Enable，接收数据使能
SRET(bit[0])Software Reset，软件复位，写0时对FIFO，USR1,USR2,UBIR，UBMR，UBRC，URXD，UTXD和UTS[6:3]进行复位，但复位前保留4个时钟周期用来进行其他的操作。复位后该位自动置1。
UARTx_UCR3
控制寄存器3
这个我们只用到了一个RXDMUXSEL，因为手册上说了这个应给被置1
其他的位我们暂时也都用不到。
UARTx_UFCR
缓存控制寄存器UART FIFO Control Register，这里我们主要用来设置分频器
RFDIV(bit[9:7])里定义了从CCM过来的时钟的分频
注意这个分频不是按照数值+1的模式进行分频的，看具体的值，这个分频器决定的UART的参考时钟
UARTx_USR2
状态寄存器1我们也用不到，这里要用到状态寄存器2
ADET(bit[15])Automatic Baud Rate Detect Complete，波特率检测完毕，当1时接收到合适的A或者a字符，需要写1清除状态
TXFE(bit[14])Transmit Buffer FIFO Empty，发送缓存状态，1时表示缓存区为空
TXDC(bit[3])Transmitter Complete，发送完成标志位，1时表示发送数据完成，发送寄存器或发送缓存写入数据，该位自动清零
RDR(bit[0])Receive Data Ready，数据接收标志位，为1时表示至少还有1个数据要接收
UARTx_UBIR和UARTx_UBMR
用来凑波特率的两个寄存器，参考手册第55.5章节介绍了波特率的计算方法
RefFreq就是经过分频后的参考时钟，比如我们时钟为80MHz，分频为1分频，想要用115200的波特率，就要自己凑了，正点原子给出的数据是UBMR=3124,UBIR=71,那么
其实NGP给了个函数，可以根据我们需要的波特率计算出对应的参数。
UART使用
使用UART的流程和其他的外设差不多也是先初始化、再使用
时钟源设置
有一点要注意：修改时钟树对应的时钟源，UART和其他的外设用到的不是一个时钟源，我们前面的用到的都是IPG_CLK，UART用到的的是UART_CLK_ROOT
我们需要通过CSCDR1选择6分频的pll3(480MHz)，也就是80MHz，后面分频器为1分频。根据手册可以查出，UART_CLK_SEL为bit[6],值应为1，分频器UART_CLK_PODR对应bit[5:0]，对应2^6+1分频，1分频值为0。
所以要修改我们的clk初始化函数clk_init
/*--------------------------UART_CLK设置--------------------------*/ /*UART_CLK_ROOT主频设置为80MHz*/ CCM->CSCDR1 &= ~(1<<6); //CSCDR1[UART_CLK_SEL](bit[6])=0,时钟源80MHz CCM->CSCDR1 &= ~(7<<0); //CSCDR1[UART_CLK_PODF](bit[5：0])设置为0，对应1分频 /*-------------------------UART_CLK设置完毕------------------------*/
这步一定要记得！否则波特率就乱了！我在调试的时候就是忘了这一步！
UART初始化
UART的初始化包括IO的复用设置、UART参数设置、波特率设置。主要就是设置UCR1、UCR2、UCR3、UFCR、UBIR、UBMR几个寄存器。在设置寄存器值时，应该按照下面的顺序
- 关闭串口功能(UARTEN=0)
- 复位UART(SRET=0),复位时等待SRET为1，即复位完毕
- 设置相关寄存器的值
- 使能UART
配置寄存器的过程如下：
/*配置UART1*/ UART1->UCR1 = 0; // UART1->UCR1 &= ~(1<<14); /*配置UCR2*/ UART1->UCR2 = 0; //清除UCR0 UART1->UCR2 |= (1<<1) |(1<<2) |(1<<5)|(1<<14); //从左起:RXEN=1 TXEN=1 WS=1 IRTS=1 //接收、发送使能、数据长度为8bit 忽略RTS引脚 /*配置UCR3*/ UART1->UCR3 |= (1<<2); //RXDMUXSEL=1 //波特率设置115200 UART1->UFCR &= ~(7<<7); //RFDIV进行清零 UART1->UFCR = 5<<7; //设置1分频,uart_clk=80MHz UART1->UBIR = 71; UART1->UBMR = 3124;
其实还是比较简单的。
其他的几个关闭、使能等函数放在最后。
数据接收、发送
数据的发送、接收就是对URXD、UTXD的低8位进行操作
/** * @brief 通过UART1发送1个字符 * * @param c 待发送的字符 */ void putc(unsigned char c) { while(((UART1->USR2 >>3) & 0x01) == 0); //等待前一个发送流程完毕 UART1->UTXD = (c & 0xFF); } /*通过UART1接收一个字符*/ unsigned char getc(void) { while(((UART1->USR2)&0x01) == 0); //等待前一个接收流程完毕 return UART1->URXD; } /** * @brief 发送字符串 * * @param str 待发送的字符串 */ void puts(unsigned *str) { char *p = str; while(*p){ putc(*p++); } }
这样就完成了所有的功能定义。
文件结构：
UART功能的文件结构和其他外设一样
两个文件如下：
/** * @file bsp_uart.c * @author your name (you@domain.com) * @brief uart功能定义 * @version 0.1 * @date 2022-01-17 * * @copyright Copyright (c) 2022 * */ #include "bsp_uart.h" //初始化uart1,波特率固定为115200 void uart_init(void) { uart_io_init(); //IO初始化 uart_disable(UART1); //关闭串口 uart_softreset(UART1); //复位UART1 /*配置UART1*/ UART1->UCR1 = 0; // UART1->UCR1 &= ~(1<<14); /*配置UCR2*/ UART1->UCR2 = 0; //清除UCR0 UART1->UCR2 |= (1<<1) |(1<<2) |(1<<5)|(1<<14); //从左起:RXEN=1 TXEN=1 WS=1 IRTS=1 //接收、发送使能、数据长度为8bit 忽略RTS引脚 /*配置UCR3*/ UART1->UCR3 |= (1<<2); //RXDMUXSEL=1 //波特率设置115200 UART1->UFCR &= ~(7<<7); //RFDIV进行清零 UART1->UFCR = 5<<7; //设置1分频,uart_clk=80MHz UART1->UBIR = 71; UART1->UBMR = 3124; uart_enable(UART1); //使能UART1 } /** * @brief IO初始化为UART * */ void uart_io_init(void) { IOMUXC_SetPinMux(IOMUXC_UART1_TX_DATA_UART1_TX,0);//复用为UART1_TX IOMUXC_SetPinConfig(IOMUXC_UART1_TX_DATA_UART1_TX,0x10b0); IOMUXC_SetPinMux(IOMUXC_UART1_RX_DATA_UART1_RX,0); IOMUXC_SetPinConfig(IOMUXC_UART1_RX_DATA_UART1_RX,0x10b0); } /** * @brief 关闭UART串口 * * @param base UART结构体 */ void uart_disable(UART_Type *base) { base->UCR1 &= (1<<0); } /** * @brief 使能UART串口 * * @param base UART结构体 */ void uart_enable(UART_Type *base) { base->UCR1 |= (1<<0); } /** * @brief UART软复位 * * @param base UART结构体 */ void uart_softreset(UART_Type *base) { base->UCR2 &= ~(1<<0); //SRET=0 while((base->UCR2 & 0x01) == 0 ); //复位完毕，SRET=1 } /** * @brief 通过UART1发送1个字符 * * @param c 待发送的字符 */ void putc(unsigned char c) { while(((UART1->USR2 >>3) & 0x01) == 0); //等待前一个发送流程完毕 UART1->UTXD = (c & 0xFF); } /*通过UART1接收一个字符*/ unsigned char getc(void) { while(((UART1->USR2)&0x01) == 0); //等待前一个接收流程完毕 return UART1->URXD; } /** * @brief 发送字符串 * * @param str 待发送的字符串 */ void puts(unsigned *str) { char *p = str; while(*p){ putc(*p++); } }
头文件
/** * @file bsp_uart.h * @author your name (you@domain.com) * @brief uart头文件 * @version 0.1 * @date 2022-01-17 * * @copyright Copyright (c) 2022 * */ #ifndef __BSP_UART_H #define __BSP_UART_H #include "imx6ul.h" void uart_io_init(void); void uart_disable(UART_Type *base); void uart_enable(UART_Type *base); void uart_softreset(UART_Type *base); void putc(unsigned char c); unsigned char getc(void); void puts(unsigned *str); #endif
在main函数里导入头文件以后，调用函数
int_init(); imx6u_clkinit(); clk_enable(); uart_init(); while(1) { puts("input a char"); a=getc(); putc(a); puts("\r\n"); puts("your input is:"); putc(a); puts("\r\n"); }
就可以使用串口实现数据交互了。
PC上运行SecureCRT，使用串口连接，Soc从PC串口接收一个字符，然后返回给PC，就是这么个效果。
波特率计算
前面我们已经实现了数据的通讯，但是波特率是固定在115200，并且波特率的计算也是我们凑出来了，可以如果我们需要9600的比特率，还要在凑半天。NXP给我们的SDK包里提供了一个函数，可以直接设置对应的寄存器，这个函数可以直接调用
/** * @brief 设置比特率(官方代码) * * @param base UART结构特 * @param baudrate 要设置的比特率 * @param srcclock_hz */ void uart_setbaudrate(UART_Type *base, unsigned int baudrate, unsigned int srcclock_hz) { uint32_t numerator = 0u; //分子 uint32_t denominator = 0U; //分母 uint32_t divisor = 0U; uint32_t refFreqDiv = 0U; uint32_t divider = 1U; uint64_t baudDiff = 0U; uint64_t tempNumerator = 0U; uint32_t tempDenominator = 0u; /* get the approximately maximum divisor */ numerator = srcclock_hz; denominator = baudrate << 4; divisor = 1; while (denominator != 0) { divisor = denominator; denominator = numerator % denominator; numerator = divisor; } numerator = srcclock_hz / divisor; denominator = (baudrate << 4) / divisor; /* numerator ranges from 1 ~ 7 * 64k */ /* denominator ranges from 1 ~ 64k */ if ((numerator > (UART_UBIR_INC_MASK * 7)) || (denominator > UART_UBIR_INC_MASK)) { uint32_t m = (numerator - 1) / (UART_UBIR_INC_MASK * 7) + 1; uint32_t n = (denominator - 1) / UART_UBIR_INC_MASK + 1; uint32_t max = m > n ? m : n; numerator /= max; denominator /= max; if (0 == numerator) { numerator = 1; } if (0 == denominator) { denominator = 1; } } divider = (numerator - 1) / UART_UBIR_INC_MASK + 1; switch (divider) { case 1: refFreqDiv = 0x05; break; case 2: refFreqDiv = 0x04; break; case 3: refFreqDiv = 0x03; break; case 4: refFreqDiv = 0x02; break; case 5: refFreqDiv = 0x01; break; case 6: refFreqDiv = 0x00; break; case 7: refFreqDiv = 0x06; break; default: refFreqDiv = 0x05; break; } /* Compare the difference between baudRate_Bps and calculated baud rate. * Baud Rate = Ref Freq / (16 * (UBMR + 1)/(UBIR+1)). * baudDiff = (srcClock_Hz/divider)/( 16 * ((numerator / divider)/ denominator). */ tempNumerator = srcclock_hz; tempDenominator = (numerator << 4); divisor = 1; /* get the approximately maximum divisor */ while (tempDenominator != 0) { divisor = tempDenominator; tempDenominator = tempNumerator % tempDenominator; tempNumerator = divisor; } tempNumerator = srcclock_hz / divisor; tempDenominator = (numerator << 4) / divisor; baudDiff = (tempNumerator * denominator) / tempDenominator; baudDiff = (baudDiff >= baudrate) ? (baudDiff - baudrate) : (baudrate - baudDiff); if (baudDiff < (baudrate / 100) * 3) { base->UFCR &= ~UART_UFCR_RFDIV_MASK; base->UFCR |= UART_UFCR_RFDIV(refFreqDiv); base->UBIR = UART_UBIR_INC(denominator - 1); //要先写UBIR寄存器，然后在写UBMR寄存器，3592页 base->UBMR = UART_UBMR_MOD(numerator / divider - 1); } }
make的事项
在导入上面自动设置波特率的函数以后，在make的时候会报错
错误提示是变量未定义，原因是我们调用uart_setbaudrate这个函数时候需要进行除法运算，而ARM没有除法运算的硬件结构，进行除法运算需要借助软件编译器，软浮点的实现是在一个叫做libgcc.a的库中。这个库需要我们在编译的时候指定。因为我直接用到树莓派自带的交叉编译器，库的地址可以在/lib路径下搜一下：
教程用的交叉编译器版本是4.9.4，我用的是8.3
暂时还没出现什么问题， 记录下libgcc.a的路径，添加在makefile中
1 CC := $(CROSS_COMPILE)gcc 2 LD := $(CROSS_COMPILE)ld 3 OBJCOPY := $(CROSS_COMPILE)objcopy 4 OBJDUMP := $(CROSS_COMPILE)objdump 5 6 LIBPATH := -lgcc -L /lib/gcc/arm-linux-gnueabihf/8 #制定依赖库路径 7 8 $(TARGET).bin : $(OBJS) 9 10 $(LD) -Timx6ul.lds -o $(TARGET).elf $^ $(LIBPATH) #将所有依赖文件链接，生成.elf文件 11 $(OBJCOPY) -O binary -S $(TARGET).elf $@ #将elf转换为依赖的目标集合 12 $(OBJDUMP) -D -m arm $(TARGET).elf > $(TARGET).dis #将elf文件反汇编
要对原先的通用Makefile进行修改：
- 添加第6行，通过一个变量指定依赖的路径
- 修改第4行，在链接的时候引用变量
修改完了make一下，看到会报一个错！
原因是我们定义的putc和puts两个函数和libgcc.a库里的原生的函数重名了。要解决这个问题还是修改Makefile文件
1 # 静态模式 <Targets...>:<tatgets-pattern>:<prereq-patterns...>下面两天为自写 2 $(SOBJS) : obj/%.o : %.s #将所有的.s文件编译成.o文件放在obj文件夹内 3 $(CC) -Wall -nostdlib -fno-builtin -c -O2 $(INCLUDE) -o $@ $< 4 5 $(COBJS) : obj/%.o : %.c 6 $(CC) -Wall -nostdlib -fno-builtin -c -O2 $(INCLUDE) -o $@ $<
在第3、6行加上参数-fno-builtin，意思是不调用C语言的内建函数。这样调用的函数就是我们自己定义的函数了。
make以后还是有个错误
通过提示大概意思就是要定义一个异常处理的函数raise，对应的idiv0我觉得意思是当除数为0时候的异常处理。我们定义一个空函数就可以了。
void raise(int sig_nr) { }
在头文件里声明，搞定！
printf格式化函数的移植
我们前面的串口驱动，只能发送一般的字符，如果需要输出数字的时候还要将数字转换为字符，很不方便。一般很常用的方法就是把printf函数映射到串口上，那样就可以直接使用printf函数来完成格式化输出了。
库移植
将教程提供的stdio文件夹复制到项目根目录下，修改Makefile文件
从文件名称就可以看出来，目录下include文件夹里的是头文件，lib里是源代码，将该路径添加到Makefile里。进行make。
函数调用
导入这个库以后就可以直接使用格式化输入和输出了
int a,b; while(1) { printf("请输入两个值，用空格隔开"); scanf("%d %d",&a,&b); printf("\r\n 数据%d+%d=%d\r\n",a,b,a+b); }
上面的代码是在main函数中的，前面初始化串口、时钟什么的我没有截取，主要就是看一下怎么使用两个函数。但是要注意一点：被移植的printf不支持浮点类运算！！！
这里跟教程有些区别：
前面说过，正点原子提供的教程上使用的交叉编译器什4.9.4，而我用到时8.3，我对照在X86架构下使用4.9.4在make的时候会报错：
错误信息thumb conditional instruction should be in IT block -- `addcs r5,r5,#65536'，这个指令集错误我没有找到出处，解决办法是在编译C文件时候加上一个参数：Wa,-mimplicit-it=thumb(百度上直接给的方案，没有找到具体的解决流程和原因)
修改后的Makefile
# 静态模式 <Targets...>:<tatgets-pattern>:<prereq-patterns...>下面两天为自写 $(SOBJS) : obj/%.o : %.s #将所有的.s文件编译成.o文件放在obj文件夹内 $(CC) -Wall -nostdlib -fno-builtin -c -O2 $(INCLUDE) -o $@ $< $(COBJS) : obj/%.o : %.c $(CC) -Wall -Wa,-mimplicit-it=thumb -nostdlib -fno-builtin -c -O2 $(INCLUDE) -o $@ $<
烧录sd卡就行了。
调试时候的BUG
在最后调试的时候出现了一个大BUG，这里记录一下吧，免得以后忘了！
开始怎么也没搞清，现象就是添加玩stdio库以后make能成功，但是用imxdownload下载一直报错
先后试过教程提供的源码，更换了交叉编译器，重新编译了下载软件一直都不行，按理说报dd错误是磁盘写入失败，烧录前面的所有程序都可以，在后来发现只要写入到文件size没有超过10000Bytes都正常，就没想过是卡的问题。直到发现烧录完以前的程序发现上电后初始化非常慢，想到卡可能出问题了，用fdisk格式化失败，Ubuntu下使用好几个磁盘工具格式化都报错，换了个读卡器也不行。没办法找了个win10的PC，格式化了一下，还是不行，用Imager烧录了个树莓派的镜像，没问题，回来重新烧录一遍，竟然好了！估计是最近经常用读卡器是不是有什么问题了。
