深入浅出 UART 驱动开发与调试

深入浅出 UART 驱动开发与调试

介绍

UART（Universal Asynchronous Receiver/Transmitter）是一种用于异步串行通信的硬件协议。UART 在嵌入式系统中广泛用于设备间的数据传输和调试。通过驱动程序，操作系统或应用程序可以通过 UART 接口与外设进行通信。

应用使用场景

• 嵌入式设备通信：在微控制器和传感器、显示器等外围设备之间传输数据。
• 调试和日志记录：通过串口输出调试信息。
• 工业自动化：用于 PLC 和其他设备间的通信。

原理解释

UART 通信是基于串行传输的，每次传送一个字节，包括起始位、数据位、奇偶校验位和停止位。UART 驱动负责配置串口参数（如波特率）、发送和接收数据，并处理可能的错误。

UART 数据帧结构

+----------+---------+---------+--------------+----------+
| 起始位(1) | 数据位(n)| 校验位(可选) | 停止位(1或2) |
+----------+---------+---------+--------------+----------+

算法原理流程图

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|    初始化 UART 参数       |
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              |
              v
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|   配置硬件寄存器          |
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              |
              v
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|   发送数据 / 接收中断     |
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              |
              v
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|   数据处理与缓存          |
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              |
              v
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|   关闭 UART 并清理        |
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实际详细应用代码示例实现

以下是一个简单的 UART 驱动程序伪代码示例，用于演示 UART 的初始化、数据发送与接收。

初始化 UART

void uart_init(unsigned int baudrate) {
    // 配置波特率
    unsigned int divisor = calculate_divisor(baudrate);
    write_register(UART_DIVISOR_LATCH, divisor);

    // 配置数据格式：8位数据，无校验，一个停止位
    write_register(UART_LINE_CONTROL, LCR_8BIT_DATA | LCR_NO_PARITY | LCR_1_STOP_BIT);

    // 启用FIFO，清除接收和发送队列
    write_register(UART_FIFO_CONTROL, FCR_ENABLE_FIFO | FCR_CLEAR_RCVR | FCR_CLEAR_XMIT);

    // 启用中断
    write_register(UART_INTERRUPT_ENABLE, IER_RDI);
}

发送数据

void uart_send(unsigned char *data, int length) {
    for (int i = 0; i < length; i++) {
        while (!(read_register(UART_LINE_STATUS) & LSR_THRE))
            ;  // 等待发送缓冲区为空
        write_register(UART_TRANSMIT_HOLDING, data[i]);
    }
}

接收数据

void uart_receive(unsigned char *buffer, int max_length) {
    int index = 0;
    while (index < max_length) {
        if (read_register(UART_LINE_STATUS) & LSR_DR) {
            buffer[index++] = read_register(UART_RECEIVE_BUFFER);
        }
    }
}

测试步骤以及详细代码、部署场景

1. 准备开发板：

   • 确保开发板支持 UART 并连接到 PC 或其他设备。

2. 编写并编译驱动：

   • 使用 C 编写 UART 驱动代码，编译后加载到目标设备中。

3. 运行测试：

   • 在目标设备上运行驱动程序，发送和接收数据，使用串口调试工具验证通信。

4. 观察输出：

   • 检查接收到的数据是否正确无误。

材料链接

• UART Wikipedia
• Linux Serial Programming HOWTO

总结

UART 驱动开发涉及对硬件寄存器的操作和初步的软件设计。在嵌入式系统中，它为设备提供了简单而有效的通信手段。通过理解 UART 的基本工作原理，可以更好地进行驱动开发和调试。

未来展望

随着物联网设备的激增，UART 等传统串行接口将在小型、低功耗设备中继续发挥作用。同时，虚拟化和抽象层次的增加将使驱动开发更加便利。新型接口（如 USB、SPI）的发展也会补充和扩展串行通信的应用范围，给驱动开发带来更多的挑战与机遇。