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嵌入式Linux开发8——UART串口通讯

2023-05-16

1. 背景知识

1.1 UART通讯格式

  串口全称叫做串行接口，通常也叫做 COM 接口，串行接口指的是数据一个一个的顺序传输，通信线路简单。使用两条线即可实现双向通信，一条用于发送，一条用于接收。UART为异步串行收发器。
  数据位：数据位就是实际要传输的数据，数据位数可选择 5~8 位，我们一般都是按照字节传输数据的，一个字节 8 位，因此数据位通常是 8 位的。低位在前，先传输，高位最后传输。
  具体通讯格式如下图所示：
在这里插入图片描述

1.2 UART电平标准

  UART 一般的接口电平有 TTL 和 RS-232，一般开发板上都有 TXD 和 RXD 这样的引脚，这些引脚低电平表示逻辑 0，高电平表示逻辑 1，这个就是 TTL 电平。 RS-232 采用差分线， -3~-15V 表示逻辑 1， +3~+15V 表示逻辑 0。

1.3 I.MX6U UART简介

  I.MX6U 一共有 8 个 UART，其主要特性如下：
① 兼容 TIA/EIA-232F 标准，速度最高可到 5Mbit/S。
② 支持串行 IR 接口，兼容 IrDA，最高可到 115.2Kbit/s。
③ 支持 9 位或者多节点模式(RS-485)。
④ 1或2位停止位。
⑥ 可编程的奇偶校验(奇校验和偶校验)。
⑦ 自动波特率检测(最高支持 115.2Kbit/S)
  UART 的时钟源是由寄存器 CCM_CSCDR1 的 UART_CLK_SEL(bit)位来选择的，当为 0 的时候 UART 的时钟源为 pll3_80m(80MHz)，如果为 1 的时候 UART 的时钟源为 osc_clk(24M)，一般选择 pll3_80m 作为 UART 的时钟源。寄存器 CCM_CSCDR1 的 UART_CLK_PODF(bit5:0)位是 UART 的时钟分频值，可设置 0~63，分别对应 1~64 分频，一般设置为 1 分频，因此最终进入 UART 的时钟为 80MHz。
  通过设置寄存器UARTx_UFCR 、 UARTx_UBIR 和 UARTx_UBMR，可以得到我们想要的波特率。寄存器UARTx_UFCR 中我们要用到的是位 RFDIV(bit9:7)，用来设置参考时钟分频，而UBMR、UBIR直接使用UARTx_UBIR 和 UARTx_UBMR寄存器中的值，计算公式如下：
在这里插入图片描述
  最后来看一下寄存器 UARTx_URXD 和 UARTx_UTXD，这两个寄存器分别为 UART的接收和发送数据寄存器，这两个寄存器的低八位为接收到的和要发送的数据。读取寄存器UARTx_URXD 即可获取到接收到的数据，如果要通过 UART 发送数据，直接将数据写入到寄存器 UARTx_UTXD 即可。
  综上所述，UART1的配置步骤如下：
1、设置 UART1 的时钟源
  设置 UART 的时钟源为 pll3_80m，设置寄存器 CCM_CSCDR1 的 UART_CLK_SEL 位为 0即可。
2、初始化 UART1
  初始化 UART1 所使用 IO，设置 UART1 的寄存器 UART1_UCR1~UART1_UCR3，设置内容包括波特率，奇偶校验、停止位、数据位等等。
3、使能 UART1
  UART1 初始化完成以后就可以使能 UART1 了，设置寄存器 UART1_UCR1 的位 UARTEN为 1。
4、编写 UART1 数据收发函数
  编写两个函数用于 UART1 的数据收发操作。

2. 代码编写

  我们在UART的c文件中总共编写10个函数， uart_init用于初始化 UART1 相关的 IO、并且设置 UART1的波特率、字长、停止位和校验模式等，最后使能UART1。uart_io_init，用于初始化 UART1 所使用的 IO。uart_setbaudrate是从NXP官方的SDK包中移植过来的，用于设置波特率。uart_disable 和uart_enable，分别是使能和关闭 UART1。第 6 个函数是 uart_softreset，用于软件复位指定的 UART。第七个函数是putc，用于通过UART1发送一个字节的数据。第八个函数是puts，用于通过UART1发送一串数据。第九个函数是 getc，用于通过 UART1 获取一个字节的数据，最后一个函数是raise，这是一个空函数，防止编译器报错。


/*
 * @description : 初始化串口1,波特率为115200
 * @param		: 无
 * @return		: 无
 */
void uart_init(void)
{
	/* 1、初始化串口IO 			*/
	uart_io_init();

	/* 2、初始化UART1  			*/
	uart_disable(UART1);	/* 先关闭UART1 		*/
	uart_softreset(UART1);	/* 软件复位UART1 		*/

	UART1->
UCR1 = 0;		/* 先清除UCR1寄存器 */
	
	/*
     * 设置UART的UCR1寄存器，关闭自动波特率
     * bit14: 0 关闭自动波特率检测,我们自己设置波特率
	 */
	UART1->UCR1 &= ~(1<<14);
	
	/*
     * 设置UART的UCR2寄存器，设置内容包括字长，停止位，校验模式，关闭RTS硬件流控
     * bit14: 1 忽略RTS引脚
	 * bit8: 0 关闭奇偶校验
     * bit6: 0 1位停止位
 	 * bit5: 1 8位数据位
 	 * bit2: 1 打开发送
 	 * bit1: 1 打开接收
	 */
	UART1->UCR2 |= (1<<14) | (1<<5) | (1<<2) | (1<<1);

	/*
     * UART1的UCR3寄存器
     * bit2: 1 必须设置为1！参考IMX6ULL参考手册3624页
	 */
	UART1->UCR3 |= 1<<2; 
	
	/*
	 * 设置波特率
	 * 波特率计算公式:Baud Rate = Ref Freq / (16 * (UBMR + 1)/(UBIR+1)) 
	 * 如果要设置波特率为115200，那么可以使用如下参数:
	 * Ref Freq = 80M 也就是寄存器UFCR的bit9:7=101, 表示1分频
	 * UBMR = 3124
 	 * UBIR =  71
 	 * 因此波特率= 80000000/(16 * (3124+1)/(71+1))=80000000/(16 * 3125/72) = (80000000*72) / (16*3125) = 115200
	 */
	UART1->UFCR = 5<<7; //ref freq等于ipg_clk/1=80Mhz
	UART1->UBIR = 71;
	UART1->UBMR = 3124;

#if 0
	 uart_setbaudrate(UART1, 115200, 80000000); /* 设置波特率 */
#endif

	/* 使能串口 */
	uart_enable(UART1);
}

/*
 * @description : 初始化串口1所使用的IO引脚
 * @param		: 无
 * @return		: 无
 */
void uart_io_init(void)
{
	/* 1、初始化IO复用 
     * UART1_RXD -> UART1_TX_DATA
     * UART1_TXD -> UART1_RX_DATA
	 */
	IOMUXC_SetPinMux(IOMUXC_UART1_TX_DATA_UART1_TX,0);	/* 复用为UART1_TX */
	IOMUXC_SetPinMux(IOMUXC_UART1_RX_DATA_UART1_RX,0);	/* 复用为UART1_RX */

	/* 2、配置UART1_TX_DATA、UART1_RX_DATA的IO属性 
 	*bit 16:0 HYS关闭
 	*bit [15:14]: 00 默认100K下拉
 	*bit [13]: 0 keeper功能
 	*bit [12]: 1 pull/keeper使能
 	*bit [11]: 0 关闭开路输出
 	*bit [7:6]: 10 速度100Mhz
 	*bit [5:3]: 110 驱动能力R0/6
 	*bit [0]: 0 低转换率
 	*/
	IOMUXC_SetPinConfig(IOMUXC_UART1_TX_DATA_UART1_TX,0x10B0);
	IOMUXC_SetPinConfig(IOMUXC_UART1_RX_DATA_UART1_RX,0x10B0);
}

/*
 * @description 		: 波特率计算公式，
 *    			  	  	  可以用此函数计算出指定串口对应的UFCR，
 * 				          UBIR和UBMR这三个寄存器的值
 * @param - base		: 要计算的串口。
 * @param - baudrate	: 要使用的波特率。
 * @param - srcclock_hz	:串口时钟源频率，单位Hz
 * @return		: 无
 */
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);
    }
}

/*
 * @description : 关闭指定的UART
 * @param - base: 要关闭的UART
 * @return		: 无
 */
void uart_disable(UART_Type *base)
{
	base->UCR1 &= ~(1<<0);	
}

/*
 * @description : 打开指定的UART
 * @param - base: 要打开的UART
 * @return		: 无
 */
void uart_enable(UART_Type *base)
{
	base->UCR1 |= (1<<0);	
}

/*
 * @description : 复位指定的UART
 * @param - base: 要复位的UART
 * @return		: 无
 */
void uart_softreset(UART_Type *base)
{
	base->UCR2 &= ~(1<<0); 			/* UCR2的bit0为0，复位UART  	  	*/
	while((base->UCR2 & 0x1) == 0); /* 等待复位完成 					*/
}

/*
 * @description : 发送一个字符
 * @param - c	: 要发送的字符
 * @return		: 无
 */
void putc(unsigned char c)
{
	while(((UART1->USR2 >> 3) &0X01) == 0);/* 等待上一次发送完成 */
	UART1->UTXD = c & 0XFF; 				/* 发送数据 */
}

/*
 * @description : 发送一个字符串
 * @param - str	: 要发送的字符串
 * @return		: 无
 */
void puts(char *str)
{
	char *p = str;

	while(*p)
		putc(*p++);
}

/*
 * @description : 接收一个字符
 * @param 		: 无
 * @return		: 接收到的字符
 */
unsigned char getc(void)
{
	while((UART1->USR2 & 0x1) == 0);/* 等待接收完成 */
	return UART1->URXD;				/* 返回接收到的数据 */
}

/*
 * @description : 防止编译器报错
 * @param 		: 无
 * @return		: 无
 */
void raise(int sig_nr) 
{

}

  我们只需要在main.c函数中调用uart_init，而后在while循环中接受PC机传来的字符并将其回发，在PC端的串口调试助手中显示出来。

/*
 * @description	: main函数
 * @param 		: 无
 * @return 		: 无
 */
int main(void)
{
	unsigned char a=0;
	unsigned char state = OFF;

	int_init(); 				/* 初始化中断(一定要最先调用！) */
	imx6u_clkinit();			/* 初始化系统时钟 			*/
	delay_init();				/* 初始化延时 			*/
	clk_enable();				/* 使能所有的时钟 			*/
	led_init();					/* 初始化led 			*/
	beep_init();				/* 初始化beep	 		*/
	uart_init();				/* 初始化串口，波特率115200 */

	while(1)				
	{	
		puts("请输入1个字符:");
		a=getc();
		putc(a);	//回显功能
		puts("\r\n");

		//显示输入的字符
		puts("您输入的字符为:");
		putc(a);
		puts("\r\n\r\n");
		
		state = !state;
		led_switch(LED0,state);
	}
	return 0;
}

  最终，我们在串口调试程序SecureCRT中发现I.MX6U的串口1能够正常工作起来。
在这里插入图片描述

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