正点原子[第二期]Linux之ARM（MX6U）裸机篇学习笔记-19讲 串口实验UART

前言：

本文是根据哔哩哔哩网站上“正点原子[第二期]Linux之ARM（MX6U）裸机篇”视频的学习笔记，在这里会记录下正点原子 I.MX6ULL 开发板的配套视频教程所作的实验和学习笔记内容。本文大量引用了正点原子教学视频和链接中的内容。

引用：

正点原子IMX6U仓库 (GuangzhouXingyi) - Gitee.com

《【正点原子】I.MX6U嵌入式Linux驱动开发指南V1.5.2.pdf》

正点原子资料下载中心 — 正点原子资料下载中心 1.0.0 文档

正文：

本文是 “正点原子[第二期]Linux之ARM（MX6U）裸机篇--第19 讲” 的读书笔记。第19讲主要是介绍I.MX6U处理器的UART串口并实现串口UART的字符格式化打印实验。本节将参考正点原子的视频教程第18讲和配套的正点原子开发指南文档进行学习。

0. 概述

不管是单片起开发还是嵌入式Linux开发，串口都是最常用到的外设。可以通过串口将开发板与电脑相连，然后电脑上通过串口调试助手来调试程序。还有很多的模块，比如蓝牙，GPS，GPRS 等都使用的串口来与主控进行通信的，在嵌入式LInux中一般使用串口作为控制台，所以掌握串口是必备的技能。本章我们就来学习如何驱动 I.MX6U 上的串口，并使用串口和电脑进行通信。

1. I.MX6U 串口简介

1.1 UART简介

1. UAR通信格式

串口的全称叫做串行接口，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。串口通信距离远，但是速度相对会低，串口是一种很常用的工业接口。I.MX6u 自带的UART外设就是串口的一种，UART的全称是 Universal Asynchronous Receiver/Transimitter ，也就是异步串行收发器。既然有异步串行收发器，那肯定也有同步串行收发器，学过STM32的同学应该知道，STM32除了UART（Univeral Asynchronous Receiver/Transmitter）外，还另外有一个叫做USART的东西。USART的全称是 Universal Synchronous/Asynchronous Receiver/Transmitter，也就是异步/同步串行收发器。想不UART多了一个同步功能，在硬件上体现出来就是多了一条时钟线。一般USART是可以作为 UART使用的，也就是不使用其同步功能。

UART作为串口的一种，器工作原理也是将数据一位一位的的进行传输，发送和接受各使用一条线，因此通过UART接口与外界通信最少需要三条线：TXD（发送），RXD（接收）和GND（地线）。图21.1.1.1 就是UART通信的格式：

图 21.1.1.1 中各位的含义如下：
 

位描述
空闲位数据线在空闲状态的时候逻辑为“1”状态，也就是高电平表示，表示没有数据，数据线空闲没有数据传输。
起始位当要传输数据的时候线传输一个逻辑“0”，也就是将数据线拉低，表示开始数据传输。
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，一个自己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。
奇偶校验位这是对数据中“1”的位数进行奇偶校验用的，可以不使用奇偶校验功能。
停止位数据传输完成的标志位，停止位的位数可以选择1位，1.5位，或2位高电平，一般都选择1位停止位。
波特率波特率就是UART数据传输的速率，也就是每秒传输的数据位数，一般选择9600, 19200, 115200 等。

2. UART的电平标准

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。一般21.1.1.2 中的接口就是TTL电平。

图 21.1.1.2 中的模块就是 USB 转 TTL 模块，TTL接口的部分有VCC，GND，RXD，TXD，RTS和CTS。RTS和CTS基本用不到，使用的时候通过杜邦线和其他模块的TTL接口相连即可。

RS-232电平需要使用DB-9接口，I.MX6U-ALPHA 开发板上的COM3（UART3）接口就是RS-232接口的，如图 21.1.1.3 所示：

由于现在的电脑都没有DB9接口了，取而代之的是USB接口，所以就催生了很多USB转串口TTL芯片，比如CH340，PL2302等。通过这些芯片就可以实现串口TTL转USB。I.MX6U-APLHA开发板就是用了CH340芯片来来完成UART1和电脑之间的连接，只需要一条USB线即可，如图 21.1.1.4 所示。

2. I.MX6U UART 简介

上一小节介绍了UART接口，本小节具体看一下I.MX6U的UART接口，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。
  5. 可编程的奇偶校验(奇校验和偶校验)。
  6. 自动波特率检测(最高支持 115.2Kbit/S)

I.MX6U 的UART功能很多，但是我们本章就只是用到最基本的串口功能，关于 UART 其它功能的介绍请参考《I.MX6ULL 参考手册》第 3561 页的“Chapter 55 Universal Asynchronous Receiver/Transmitter(UART)”章节。
 

UART的时钟源石油寄存器CCM_CSCDR1的 UART_CLK_DEL(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。

CCM_CSCDR1的UART_CLK_PODF(bit5:0)为是UART的时钟分频值，可设置0~63，分别对应1~64分频，因此最终进入UART的时钟为 80MHz = PLL3 480MHz/6。

80MHz = PLL3 480MHz/6

2.1 UARTx_UCRx 寄存器

接下来看一下UART的几个重要的寄存器，第一个就是UART的控制寄存器去，寄UART1_UCR1(x=1~8)，此寄存器的结构如下图所示：

位描述
ADBR(bit14)
 		自动波特率检测使能位，为 0 的时候关闭自动波特率检测，为1 的时候使能自动波特率检测。
UARTEN(bit0)UART 使能位，为 0 的时候关闭 UART，为 1 的时候使能 UART
 

接下俩看一下UART的控制寄存器2，即 UARTx_UCR2，此寄存器的结构如图 21.1.2.2 所
示：

位描述
IRTS bit[14]为0的时候使能RTS引脚，为1的时候忽略RTS引脚
PREN bit[8]Parity Check 奇偶校验使能位，为0的时候关闭奇偶校验，为1的时候使能机构校验。Odd Number 奇数，Even Numver 偶数。
PROE bit[7]奇偶校验模式选择位，开启奇偶校验以后此位如果为 0 的话就使用偶校验，此位为 1 的话就使能奇校验
STPB bit[6]Stop Bit 停止位数量，为 0 的话 1 位停止位，为 1 的话 2 位停止位
WS bit[5]数据位长度，为 0 的时候选择 7 位数据位，为 1 的时候选择 8 位数据位
 
TXEN bit[2]发送使能位，为0的时候关闭UART的发送功能，为1的时候打开UART的发送功能。
RXEN bit[1]接收使能位，为0的时候关闭UART的接收功能，为1的时候打开UART的接收功能。
SRST bit[0]软件复位，为0的时候软件复位UART，为1的时候表示软件复位完成。复位万策划给你以后此位会自动置1，表示复位万策划给你。此位只能写0，写1会被忽略掉。

接下来看一下 UARTx_UCR3 寄存器，此寄存器结构如图 21.1.2.3 所示


本章实验就用到了寄存器 UARTx_UCR3 中的位 RXDMUXSEL(bit2)，这个位应该始终为 1，这个在《I.MX6ULL 参考手册》第 3624 页有说明。

这个正点原子的视频教程里有说，当时正点原子的左盟主在准备I.MX6U UART 视频教程备课的时候写的源码这里没有置1，找了很久才找到是这里UARTx_UCR3 这个寄存器这里RXDMUXSEL 位没有置1的原因。这里是经验教训。

接下来看一下寄存器 UARTx_USR2，这个是 UART 的状态寄存器 2，此寄存器结构如图21.1.2.4 所示

寄存器 UARTx_USR2 用到的重要位如下：

  • TXDC(bit3)：发送完成标志位，为 1 的时候表明发送缓冲(TxFIFO)和移位寄存器为空，也就是发送完成，向 TxFIFO 写入数据此位就会自动清零。
  • RDR(bit0)：数据接收标志位，为 1 的时候表明至少接收到一个数据，从寄存器UARTx_URXD 读取数据接收到的数据以后此位会自动清零。
     

2.2 UART 分频值寄存器

接 下 来 看 一 下 寄 存 器 UARTx_UFCR 、 UARTx_UBIR 和 UARTx_UBMR ， 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，设置如表 21.1.2.1
所示：

  • Ref Freq：经过分频以后进入 UART 的最终时钟频率。
  • UBMR：寄存器 UARTx_UBMR 中的值。
  • UBIR：寄存器 UARTx_UBIR 中的值。

通过 UARTx_UFCR 的 RFDIV 位、 UARTx_UBMR 和 UARTx_UBIR 这三者的配合即可得到我们想要的波特率。比如现在要设置 UART 波特率为 115200，那么可以设置 RFDIV 为
5(0b101)，也就是 1 分频，因此 Ref Freq=80MHz。设置 UBIR=71， UBMR=3124，根据上面的公式可以得到：

2.3 UART的 RXD 和TXD寄存器去

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。

注意：

从I.MX6U UART 寄存器的的UARTx_URXD和UARTx_UTXD寄存器里读取和发送数据的时候，需要检查 UARTx_USR2 寄存器里的 TXDC （Transmit Data Complete）和 RDR (Receiver Data Ready) 标志位，检查到标志位为1说明发送完成或者接收数据准备好，才可以读取/写入。


关于 UART 的寄存器就介绍到这里，关于这些寄存器详细的描述，请参考《I.MX6ULL 参考手册》第 3608 页的 55.15 小节。

3. 编写UART驱动程序

本章我们使用 I.MX6U 的 UART1 来完成开发板与电脑串口调试助手之间串口通信， UART1 的配置步骤如下：

  1. 设置UART1的时钟源
    设置UART1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所使用的IO，设置UART1的寄存器 UARTx_UCR1~UARTx_UCR3，设置内容包括波特率，奇偶校验位，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UARTx_UCR1的为 UARTEN 为1。
  4. 编写UART1的数据收发函数
    编写两个用于UART1的数据收发操作。

3.1 硬件原理分析

本实验用到的资源如下：

  1. 一个LED灯：LED0
  2. 串口1

I.MX6U-ALPHA 开发板串口 1 硬件原理图如图 21.2.1 所示：

将串口 1 的 RXD、 TXD 两个引脚分别与 P116、 P117 连接一起，如图 21.2.2 所示

硬件连接设置好以后就可以开始软件编写了，本章实验我们初始化好 UART1，然后等待 SecureCRT  给开发板发送一个字节的数据，开发板接收到 SecureCRT 发送过来的数据以后在通过串口 1 发送给 SecureCRT。

3.2 UART IO引脚复用

查阅《I.MX6ULL 参考手册》3563页的“55.2 External Signals” 小节，可以看到I.MX6U芯片的UART1 引脚IO复用的方法。

I.MX6U 芯片的封装引脚复用 IOMUXC，UART1_TX 可以来自于两种的芯片引脚复用：

  • 一种是复用UART1_RX_DATA 的复用 ALT0
  • 另一种是复用 GPIO1_IO02 的复用 ALT

因为在I.MX6U 芯片的 GPIO1_IO03 在正点原子的 I.MX6ULL ALPHA/Mini 开发板上已经使用为LED0 的GPIO输出引脚，所以我们应该使用 UART1 的 UART1_RX_DATA 和 UART1_TX_DATA 引脚复用。 

对 IOMUXC_UART1_TX_DATA IO接口复用

4. 源码编写

bsp/bsp_uart.c 源码如下，参考了正点原子提供的示例源码:

#include "bsp_uart.h"
#include "bsp_beep.h"void uart_init(void)
{/* UART 时钟源选择 */CCM->CSCDR1 &= ~(1 << 6);		/* 选择pll3_80m作为时钟源 */CCM->CSCDR1 &= ~(0x3f << 0);	/* 选择1分频 */uart_disable(UART1);uart_io_int();					/* UART IO复用 */uart_reset();					/* UART 软件复位 *//* UARTx_UCR1 */UART1->UCR1 = 0;			/* 关闭UART1, 关闭UART1自动波特率检测 *//* UARTx_UCR2 */UART1->UCR2 &= ~(1 << 8);	/* Parity 奇偶校验不启用 */UART1->UCR2 &= ~(1 << 6);	/* StopBit 停止位，1个停止位 */UART1->UCR2 |= (1 << 14);UART1->UCR2 |= (1 << 5);	/* WordSize 字宽，8个数据位 */UART1->UCR2 |= (1 << 2);	/* TXEN 使能Tx */UART1->UCR2 |= (1 << 1);	/* RXEN 使能Rx *//* UARTx_UCR3 */UART1->UCR3 |= (1 << 2);	/* I.MX6ULL手册指出此位必须被设置为1 *//* UART波特率设置 */UART1->UFCR &= ~(7 << 7);UART1->UFCR |= (5 << 7);	/* 1分频 */UART1->UBIR |= (71 & 0xFFFF);UART1->UBMR |= (3124 & 0xFFFF);uart_enable(UART1);
}void uart_io_int(void)
{/* 0x10B0 = 0001 0000 1011 0000* bit[0]		SRE			0 低压摆率* bit[2:1]		Reserved	00 保留未使用* bit[5:3]		DSE			110 驱动能力DSE_6_R0_6 — R0/6* bit[7:6]		SPEED		10  medium(100MHz)* bit[10:8]	Reserved	000 保留未使用* bit[11]		ODE			0 Open-Drain 开漏输出（推挽输出）* bit[12]		PKE			1 Pull/Keeper使能* bit[13]		PUE			0 Pull/Keeper Select 选择，0选择Keeper* bit[15:14]	PUS			00 Pull UP/Down Config, 00选择100K Ohm Pull Down*//* UART1_TX_DATA IO复用 */IOMUXC_SetPinMux(IOMUXC_UART1_TX_DATA_UART1_TX, 0);IOMUXC_SetPinConfig(IOMUXC_UART1_TX_DATA_UART1_TX, 0x10B0);/* UART1_RX_DATA IO复用 */IOMUXC_SetPinMux(IOMUXC_UART1_RX_DATA_UART1_RX, 0);IOMUXC_SetPinConfig(IOMUXC_UART1_RX_DATA_UART1_RX, 0x10B0);
}void uart_enable(UART_Type *base)
{base->UCR1 |= (1 << 0);
}void uart_disable(UART_Type *base)
{base->UCR1 &= ~(1 << 0);
}unsigned char getc(void)
{unsigned char c;while((UART1->USR2 & (1 << 0)) == 0);	/* 检查UART RDR标志位，确认Rx是否完成 */c = (UART1->URXD & 0xFF);return c;
}void putc(unsigned char c)
{/* 检查UART TXDC标志位，确认Tx是否完成 */while((UART1->USR2 & (1 << 3)) == 0);UART1->UTXD = (c & 0xFF);
}void puts(char *str)
{char *p = str;while(*p){putc(*p++);}
}void uart_reset(void)
{UART1->UCR2 &= ~(1 << 0);				/* UART 软件复位 */while((UART1->UCR2 & (1<< 0)) == 0);	/* 等待UART软件复位完成 */
}

4.1 编译并修改Makefile

执行‘make’命令编译时，编译器提示如下错误：

编译器提示错误的是因为在GCC编译器里有内置的(build-in)的 'putc()' 和 'puts()' 函数和我们自己的uart 驱动程序源码里定义的 'putc', 'puts' 函数冲突。所以修改Makefile编译命令，对 “*.c” 文件的编译增加 "-no-buildin" 编译选项。

5. 编译烧写SD卡验证实验结果


译修改主频后源码烧录SD卡验证本节的 I.MX6U UART串口实验。预期烧录SD卡后正点原子I.MX6ULL ALPHA/Mini 开发板后，UART串口可以在串口工具，如SecureCRT或者Xshell上打印字符串输出。

我本地验证的结果是基于GPT定时器的高精度延时实验结果正常，UART串口可以在串口工具XShell上打印字符串。

6. 总结和实验遇到的问题记录

6.1 问题1：烧录UART.bin镜像上电启动之后，执行到某个函数卡死

错误原因是寄存器写错了，软件复位应该是UCR1，错误的写成了USR1。修复之后就可以了。

6.2 问题2：烧录UART.bin镜像上电启动之后，串口没有输出。

问题2错误原因，是这里错写成和0x0F进行与运算，这样打印出来的字符就只有低4位有效。正确的应该是和0xFF进行与运算，因为是最后的低8位有效。修复之后串口就可以正常打印字符串了。

6.3 问题3：需要在UARTx->UCR2 中配置bit 14 忽略 "RTS pin" 引脚

需要在UARTx->UCR2 中配置bit 14 忽略 "RTS pin" 引脚。

如果UART不忽略 RTS (Reqeust To Send pin 引脚信号)，那么UART的 tx 方向在收到 RTS pin (电平有效）信号之前不会发送数据。对于我们的这个UART实验也就是卡在 uart tx 发送数据的地方。 

7. 附加信息：UART RTS和CTS

参考如下链接介绍了UART 的 RTS 引脚和 CTS引脚的作用：

RTSRequest To Send
CTSClear To Send

串口流控 UART 中 CTS RTS RX TX (串口模组和MCU直接的通信）_cts low to txd valid-CSDN博客文章浏览阅读1.6w次，点赞11次，收藏66次。硬件介绍：_cts low to txd validhttps://blog.csdn.net/EAyayaya/article/details/112801769

RTS:（Request To Send 请求发送）

模组的RTS是给mcu说准备好了,低电平，如果模组没有准备好，MCU给模组发数据，可能会丢包 

CTS:（Clear To Send 清除发送，允许发送）

模组的cts必须要外部的mcu给低电平，模组才能发送数据， 

 RXD: （Receive Data 接收数据）

接收数据

TXD:（ Transmit Data 发送数据）

发送数据 

8. 结束

本文至此结束。
 

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