UART

UART 介绍

UART，全称为通用异步收发传输器（Universal Asynchronous Receiver and Transmitter），是一种常见的串行通信接口。在嵌入式系统中，UART 的应用非常广泛，主要用于以下几个方面：输出调试信息以便于开发和故障排查；连接外部设备模块，如 GPS 定位模块和蓝牙通信模块等。

在 UART 通信中，首先需要确定传输速率，即波特率，它表示每秒传输的数据位数。常见的波特率包括 9600、19200 和 115200 等。确定波特率后，还需设定数据传输的格式。UART 通信以帧为单位传输数据，典型的帧结构包括：1 位起始位、8 位数据位、可选的 1 位奇偶校验位以及 1 位停止位。

以下是一个示例说明： E300 072 图示

在 UART 通信中，数据帧的波形通常由 1 位起始位、8 位数据位、1 位偶校验位和 1 位停止位组成。以字符 'A' 为例，其 ASCII 值为 41（十进制），对应的二进制为 0100 0001。在传输时，采用小端模式，即低位（LSB）在前，高位（MSB）在后，这与波形图所示一致。以下是各部分的详细说明：

空闲位：在没有数据传输时，数据线保持高电平（逻辑 1）。
起始位：当开始发送数据时，UART 会将数据线从高电平变为低电平，表示起始位（逻辑 0）。
数据位：数据位可以是 5、6、7 或 8 位，通常按字节（8 位）传输。发送方逐位改变数据线的状态（高电平或低电平），先传输最低位，最后传输最高位。例如，字符 'A' 的二进制表示为 01000001，首先发送最低位 bit 0（值为 1），接着发送 bit 1（值为 0），依此类推，最后发送最高位 bit 7（值为 0）。
奇偶校验位：如果启用了奇偶校验功能，在数据位发送完毕后，会发送 1 位校验位。奇偶校验分为奇校验和偶校验，确保数据位和校验位中”1”的数量为奇数或偶数。奇偶校验仅用于检错，无法纠错，且只能检测单比特错误，发现错误后需重新发送数据。图中使用的是偶校验，数据位和校验位中”1”的总数为偶数（2 个）。
停止位：停止位（逻辑 1）表示当前数据传输结束。停止位的长度可以是 1 位、1.5 位或 2 位，通常选择 1 位即可。

功能描述

MTT E300 中有 8 组 UART，其中 UART0-6 和 UART7 的硬件实现、功能以及驱动代码都不同。

UART0-6 功能特性

功能兼容 16550A。
全双工操作。
具有噪声滤波的稳健接收数据采样。
64 字节的接收 FIFO 和 64 字节的发送 FIFO。
- 可编程的 FIFO 中断触发级别。
- 接收 FIFO 上的”旧数据”定时器。
完全可编程的串行接口。
- 数据位：7 位或 8 位。
- 校验位：无、偶校验、奇校验或固定校验。
- 停止位：1 位或 2 位。
中断条件检测和生成。
内置波特率发生器。
- 可编程的整数和小数分频器用于波特率生成。
- 可编程的波特率计算方法，支持高达 12 Mbps 的波特率。
- 低速模式：波特率 = (功能时钟 / 16) / 分频器。
- 中速模式：波特率 = (功能时钟 / 8) / 分频器。
- 高速模式：波特率 = (功能时钟 / 4) / 分频器。
完整的状态报告能力。
内部诊断能力。
- 回环模式用于自测试。
- 中断条件、奇偶校验错误和帧错误模拟。
独立的 APB 读写操作，用于发送和接收数据。
独立的 DMA 操作，用于发送和接收数据服务。
自动流控制能力。
- RTS 由 UART 接收 FIFO 控制。
- 来自外部的 CTS 控制 UART 发送器。
软件流控制能力。
- 可编程的 XOFF 字符用于停止 UART 发送器。
- 可编程的 XON 字符用于启动 UART 发送器。

UART7 功能特性

AMBA APB 接口：便于集成到 AMBA SoC 实现中。
APB 数据总线宽度：8、16 和 32 位。
发送保持寄存器空（THRE）中断模式。
busy 功能。
能够在实例化时设置某些配置参数。
功能基于 16550 行业标准，具体如下：
- 可编程字符属性，如每个字符的数据位数（5-8）、可选的奇偶校验位（奇校验或偶校验）以及停止位数（1 或 2）。
- 线路中断生成和检测。
- 优先级中断识别。
可编程串行数据波特率，计算公式如下：

波特率 = (串行时钟频率) / (16 × 分频系数)。
调制解调器和状态线独立控制。
每个时钟域独立的系统复位，以防止亚稳态。

运行原理

Linux UART 驱动介绍

Linux 中 UART 驱动的层次结构如图： E300 073 图示

用户层：应用程序与 UART 设备交互的接口
- 通过设备文件（如 /dev/ttyS0、/dev/ttyUSB0）读写数据。
- 使用系统调用（如 open()、read()、write()、ioctl()）控制设备。
- 配置串口参数（波特率、数据位、停止位等）通过 termios 库。
- 直接发送原始数据或接收硬件反馈。
TTY core：内核中管理终端设备的通用框架
- 提供统一的设备抽象，支持多种终端类型（如 UART、虚拟终端、伪终端）。
- 管理用户层与底层驱动的数据流（缓冲区、流量控制）。
- 处理会话管理（如进程组、信号传递）。
- 通过 tty_driver 和 tty_operations 接口与底层驱动交互。
Line Discipline：行规程是数据格式和协议转换的中间层
- 数据预处理：将原始数据转换为特定协议格式（如 PPP、SLIP）。
- 输入/输出控制：实现特殊字符处理（如 Ctrl+C 终止信号）。
- 协议封装：支持网络协议栈与串口通信的适配。
- 默认线路规程（N_TTY）提供标准终端行为（行缓冲、回显）。
UART driver：直接操作硬件 UART 控制器的底层驱动
- 初始化 UART 硬件（寄存器配置、中断设置）。
- 实现数据传输（发送/接收字节）。
- 处理硬件中断（如数据到达、发送完成）。
- 支持波特率生成、奇偶校验、流量控制（RTS/CTS）等配置。
- 与 TTY 核心交互，通过 uart_ops 结构体注册驱动功能。

MTT E300 UART 驱动相关文件

drivers/tty/serial/8250/8250_core.c：UART7 串口驱动核心。
drivers/tty/serial/8250/8250_of.c：UART7 串口驱动设备树枚举和解析。
drivers/tty/serial/8250/8250_port.c：UART7 串口端口操作。
drivers/tty/serial/8250/8250_early.c：UART7 串口 early console 驱动。
drivers/tty/serial/mthreads_serial.c：UART0-6 串口驱动。
drivers/tty/serial/serial_core.c：串口驱动核心逻辑。

配置流程

步骤 1：配置设备树

MTT E300 有 8 组 UART 控制，其设备树文件路径为： linux-mthreads/arch/arm64/boot/dts/m1000/m1000-main.dtsi。

uart0 - uart6 设备树节点配置示例：

uart3_mth: serial_mth@71A000 {
    reset-names = "mrst", "arst", "prst";
    resets = <&crg RESET_PERI_UART3_MRST>,
             <&crg RESET_PERI_UART3_ARST>,
             <&crg RESET_PERI_UART3_PRST>;
    clock-names = "aclk", "mclk", "pclk";
    clocks = <&crg PERI_UART3_ACLK>,
             <&crg PERI_UART3_MCLK>,
             <&crg PERI_UART3_PFUNC_CLK>;
    interrupts = <GIC_SPI 0x19 IRQ_TYPE_LEVEL_HIGH>;
    reg = <0x00 0x0071A000 0x00 0x00001000>;
    M1000,uart-has-rtscts;
    compatible = "mthreads,M1000-earlycon", "mthreads,M1000-uart";
}; 

注意 MTT E300,uart-has-rtscts 属性，只有 uart3 - uart6 支持四线模式，需要配置该属性。

uart7 设备树节点示例：

uart0: serial@47000 {
    compatible = "ns16550a";
    reg = <0x00 0x00047000 0x00 0x100>;
    // interrupt-parent = <&gic>;
    interrupts = <GIC_SPI 0x118 IRQ_TYPE_LEVEL_HIGH>;
    clock-frequency = <100000000>;
    reg-shift = <2>;
    reg-io-width = <4>;
    status = "okay";
};

为区分 8 组不同的 UART，需要在 aliases 节点中指定每个 control 在 Linux 系统中的 bus 号：

aliases {
    serial0 = &uart0;
    serial_mt0 = &uart0_mth;
    serial_mt1 = &uart1_mth;
    serial_mt2 = &uart2_mth;
    serial_mt3 = &uart3_mth;
    serial_mt4 = &uart4_mth;
    serial_mt5 = &uart5_mth;
    serial_mt6 = &uart6_mth;
};

步骤 2：配置内核

在使用前需要确保内核的 menuconfig 选中以上两个驱动。

uart0-6 的驱动文件位于 drivers/tty/serial/mthreads_serial.c。在内核菜单中的路径及信息如下：

│ Symbol: SERIAL_MTHREADS [=y]      
 │ Type  : bool
 │ Defined at drivers/tty/serial/Kconfig:1581  
 │   Prompt: Moore Threads on-chip serial port support   
 │   Depends on: TTY [=y] && HAS_IOMEM [=y] && ARCH_M1000_SO
C [=y]    
 │   Location:   
 │     -> Device Drivers  
 │       -> Character devices  
 │         -> Enable TTY (TTY [=y])  
 │           -> Serial drivers  
 │ (1)         -> Moore Threads on-
chip serial port support (SERIAL_MTHREADS [=y])    
 │ Selects: SERIAL_CORE [=y] 

uart7 的驱动位于 drivers/tty/serial/8250/*。在内核菜单中的路径及信息如下：

Symbol: SERIAL_8250 [=y]   
  │ Type  : tristate  
  │ Defined at drivers/tty/serial/8250/Kconfig:7  
  │   Prompt: 8250/16550 and compatible serial support  
  │   Depends on: TTY [=y] && HAS_IOMEM [=y] && !S390 


  │   Location:   
  │     -> Device Drivers  
  │       -> Character devices  
  │         -> Enable TTY (TTY [=y])   
 │           -> Serial drivers  
 │ (1)         -
    > 8250/16550 and compatible serial support (SERIAL_8250 [=y]) 
 │ Selects: SERIAL_CORE [=y] && SERIAL_MCTRL_GPIO [=y]   
 │ Selected by [n]:  
 │   - MWAVE [=n] && X86 && TTY [=y]  

步骤 3：配置串口 console

在 Linux 内核中，console 用于控制台输出。可以指定 console 为 UART 设备，这样就能在内核启动过程中将日志信息输出到指定的串口设备。console 参数可以通过 U-Boot 传入或者设备树 chosen 节点中的 bootargs 来指定。

通过 U-Boot 传入：

setenv bootargs console=ttyS0,115200
boot

通过设备树 chosen 节点的 bootargs 指定：
```
chosen {
    bootargs = "console=ttyS0,115200";
};
```
console 的参数格式为：

console=<device>,<options>

<device>：指定控制台设备。常见的设备名包括：
- ttyS0：第一个串口设备（COM1）
- ttyAMA0：ARM 平台上的第一个串口设备
- ttyUSB0：第一个 USB 串口设备
<options>：指定 UART 的参数，通常是波特率。

earlycon 用于在内核启动的早期阶段（即主控制台初始化之前）启用串口输出。这对于调试内核启动过程中的问题非常有用。与 console 一样，配置 earlycon 只需要在 U-Boot 传参，或者设备树 bootargs 属性中增加 "earlycon" 字符串即可。其参数通过 chosen 节点中的 stdout-path 来指定。示例如下：

chosen {
    stdout-path = "serial0:115200n8";
};

stdout-path 参数说明：

serial0：指定串口设备。serial0 通常对应设备树中的一个串口节点。
115200n8：指定波特率为 115200，数据位为 8，无奇偶校验，1 个停止位。

开发参考

Linux 系统中 uart 驱动注册后会在 /dev 目录下生成相应的 tty 设备，无需再注册额外的设备驱动，在应用层可以直接读写 tty 节点来发送接收串口数据。示例如下：

包含头文件

#include <stdio.h>      // 标准输入输出
#include <stdlib.h>     // 标准库
#include <string.h>     // 字符串处理
#include <unistd.h>     // POSIX 操作
#include <fcntl.h>      // 文件控制
#include <termios.h>    // 串口控制
#include <errno.h>      // 错误代码
#include <sys/ioctl.h>  // 输入输出控制

打开串口设备

打开串口设备文件一般使用 open() 系统调用。Linux 系统中的串口设备通常位于 /dev/ 目录下。MTT E300 的 UART0–6 的设备名称为 ttyMT[0–6]，UART7 的串口名称为 ttyS0。

int uart_fd = open("/dev/ttyS0", O_RDWR | O_NOCTTY | O_NDELAY);
if (uart_fd == -1) {
    perror("Open UART failed");
    return -1;
}

O_RDWR：以读写方式打开

O_NOCTTY：不将设备分配为控制终端

O_NDELAY：打开时不阻塞，即使串口不可用也能打开

配置串口参数

在打开串口后，需要设置串口的参数，包括波特率、数据位、校验位和停止位。可以使用 tcgetattr() 获取当前串口设置，再用 tcsetattr() 设置新配置。

struct termios options;

// 获取串口当前设置
if (tcgetattr(uart_fd, &options) != 0) {
    perror("tcgetattr failed");
    close(uart_fd);
    return -1;
}

// 设置波特率
cfsetispeed(&options, B9600);  // 输入波特率为 9600
cfsetospeed(&options, B9600);  // 输出波特率为 9600

// 设置数据位为 8 位
options.c_cflag &= ~CSIZE;
options.c_cflag |= CS8;

// 设置停止位为 1 位
options.c_cflag &= ~CSTOPB;

// 设置无校验
options.c_cflag &= ~PARENB;
options.c_cflag &= ~PARODD;

// 禁用流控
options.c_cflag &= ~CRTSCTS;
options.c_iflag &= ~(IXON | IXOFF | IXANY);

// 设置字符处理模式
options.c_lflag &= ~(ICANON | ECHO | ECHOE | ISIG);

// 设置输入输出不阻塞
options.c_oflag &= ~OPOST;

// 设置最小读取字符数为 1
options.c_cc[VMIN] = 1;
options.c_cc[VTIME] = 0;

// 将设置写入串口
if (tcsetattr(uart_fd, TCSANOW, &options) != 0) {
    perror("tcsetattr failed");
    close(uart_fd);
    return -1;
}

读取串口数据

串口配置完成后，可使用 read() 函数从串口设备中读取数据。以下是一个读取数据的示例：

char buffer[256];  // 缓冲区
int nread;

// 从串口读取数据
nread = read(uart_fd, buffer, sizeof(buffer) - 1);

if (nread < 0) {
    perror("Read failed");
    close(uart_fd);
    return -1;
}

buffer[nread] = '\0';  // 添加字符串结束符
printf("Received: %s\n", buffer);

写入串口数据

可以使用 write() 函数向串口设备发送数据：

const char *msg = "Hello UART!";

int nwrite = write(uart_fd, msg, strlen(msg));
if (nwrite < 0) {
    perror("Write failed");
    close(uart_fd);
    return -1;
}

printf("Sent: %s\n", msg);

关闭串口

close(uart_fd);

调试方法说明

确认串口设备

在 Linux 中，UART 设备驱动注册成功后会在 /dev/ 目录下生成对应的 tty 节点：

ttyS0：代表 uart7
ttyMT[0-6]：代表 uart0 至 uart6

查看当前串口配置

使用 stty 命令查看串口当前参数配置：

stty -F /dev/ttyS0 -a

请将 /dev/ttyS0 替换为实际的串口设备名。输出结果将显示波特率、数据位、停止位、校验位等信息。

配置串口参数

配置串口参数可以使用 stty 命令，以下是常用参数说明：

波特率：
- 115200
- 9600
数据位：
- cs5：5 位
- cs6：6 位
- cs7：7 位
- cs8：8 位（常用）
停止位：
- -cstopb：1 位（默认）
- cstopb：2 位
校验位：
- -parenb：无校验
- parenb：启用校验
  - 默认为偶校验
  - 可加 parodd 启用奇校验

示例：设置波特率为 115200，8 位数据，1 位停止位，无校验：

stty -F /dev/ttyS0 115200 cs8 -cstopb -parenb

测试串口通信

发送数据：

echo "Hello" > /dev/ttyS0

接收数据：

cat /dev/ttyS0

关闭流控

stty -F dev/ttyS0 -ixon -clocal

设置为 raw 模式

sty -F /dev/ttyS0 raw

UART 介绍​

功能描述​

UART0-6 功能特性​

UART7 功能特性​

运行原理​

Linux UART 驱动介绍​

MTT E300 UART 驱动相关文件​

配置流程​

步骤 1：配置设备树​

步骤 2：配置内核​

步骤 3：配置串口 console​

开发参考​

包含头文件​

打开串口设备​

配置串口参数​

读取串口数据​

写入串口数据​

关闭串口​

调试方法说明​

确认串口设备​

查看当前串口配置​

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