14. UART串口通信

1. UART

1.1 UART 通信格式

串口通常也叫 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。使用两条线就可以实现双向通信，一条用于发送，一条用于接口。UART 是异步串行收发器，与外界相连最少需要三条线：TXD发送、RXD接收和 GND地线。
空闲位: 数据线在空闲状态的时候为逻辑1状态，也就是高电平，表示没有数据线空闲，没有数据传输。
起始位: 当要传输数据的时候先传输一个逻辑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，可选择 5 ~ 8 位，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。
奇偶检验位: 这是对数据中 1 的位数进行奇偶检验用的，可以不使用该功能
停止位: 数据传输完成标志位，停止位的位数可以选择 1、1.5 或 2 位高电平，一般都选择 1 位停止位
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

1.2 UART 电平标准

UART 一般的接口电平有 TTL 和 RS-232。TTL 电平低电平表示逻辑 0，高电平表示逻辑 1；RS-232 采用差分线，-3 ~ -15 表示逻辑 1，3 ~ 15 表示逻辑 0.

上图所示就是 TTL 电平接口，下图是 RS-232电平接口

但是现在笔记本几乎没有这种接口，就有了usb转TTL芯片

1.3 I.MX6U UART 简介

一共有 8 个UART，主要特性如下：

1. 兼容 TIA/EIA-232F标准，速度最高可达 5Mbit/s
2. 支持串行 IR 接口，兼容 IrDA，最高可达115.2Kbit/s
3. 支持 9 位或者多节点模式
4. 1 或 2 位停止位
5. 可编程的奇偶检验
6. 自动波特率检查，最高支持 115.2 Kbit/s
   这里只用到最基本的串口功能。UART 的时钟源是由寄存器 CCM_CSCDR1 的 UART_CLK_SEL 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。寄存器 CCM_CSCDR1 的 UART_CLK_PODF 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 1 分频，因此最终进入 UART 的时钟源是 80 MHz

1.3.1 控制寄存器1 UARTx_UCR1(x=1~8)

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

1.3.2 控制寄存器2 UARTx_UCR2

IRTS(bit14): 为 0 的时候使用 RTS 引脚功能，为 1 的时候忽略 RTS 引脚
PREN(bit8): 奇偶校验使能位，为 0 的时候关闭奇偶检验，为 1 的时候使能
PROE(bit7): 奇偶检验模式选择位，开启奇偶检验以后此位如果为 0 就是用偶校验，为 1 就是用基校验
STOP(bit6): 停止位数量，为 0 的话 1 位停止位，为 1 的话 2 位停止位
WS(bit5): 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(bit2): 发送使能位，0 关闭发送功能，1 打开发送功能
RXEN(bit1): 接收使能位，0 关闭接收功能，1 打开接收功能
SRST(bit0): 软件复位，0 的时候软件复位 UART，为 1 的时候表示复位完成，复位完成后此位会自动置 1，表示复位完成。此位只能写0，写1会被忽略

1.3.3 控制寄存器3 UARTx_UCR3

这里只用到了 RXDMUXSEL(bit2)，这个位应该始终为1

1.3.4 状态寄存器2 UARTx_USR2

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 读取接收到的数据以后此位会自动清零

1.3.4 UARTx_UFCR 、 UARTx_UBIR 和 UARTx_UBMR

UARTx_UFCR 用到的位是 RFDIV(bit9:7)，用来设置参考时钟分频

通过这三个寄存器可设置波特率，公式如下：

Ref Freq：经过分频以后进入 UART 的最终时钟频率
UBMR：寄存器UBMR中的值
UBIR：寄存器UBIR中的值
如果要设置115200，那么设置 RFDIV 为 1 分频，Ref Freq=80MHz，UBIR=71，UBMX=3124

1.3.5 UARTx_URXD 和 UARTx_UTXD

这两个是接收和发送数据寄存器，低八位为接收到的和要发送的数据。

1.4 代码实例

bsp_uart.h

#pragma once
#include "imx6ul.h"

void uart_init();
void uart_io_init();
void uart_disable(UART_Type *base);
void uart_enable(UART_Type *base);
void uart_softreset(UART_Type *base);
void uart_setbaudrate(UART_Type *base, unsigned int baudrate, unsigned int srcclock_hz);
void putc(unsigned char c);
void puts(char *str);
unsigned char getc();
void raise(int sig_nr);
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bsp_uart.c

#include "bsp_uart.h"

// 初始化串口1，波特率为115200
void uart_init()
{
	// 初始化串口 IO
	uart_io_init();

	// 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
	UART1->UCR1 &= ~(1<<14);	// 关闭自动波特率检测

	// 设置 UCR2 寄存器，忽略RTS引脚，关闭奇偶检验，设置1位停止位，8位数据位，打开发送和接收
	UART1->UCR2 |= (1<<14) | (1<<5) | (1<<2) | (1<<1);

	UART1->UCR3 |= 1<<2;

	// 设置波特率
	UART1->UFCR = 5<<7;
	UART1->UBIR = 71;
	UART->UBMR = 3124;

	// 使能串口
	uart_enable(UART1);
}

// 初始化串口1所使用的引脚
void uart_io_init()
{
	IOMUXC_SetPinMUX(IOMUXC_UART1_TX_DATA_UART1_TX, 0);	// 复用为UART1_TXD
	IOMUXC_SetPinMUX(IOMUXC_UART1_RX_DATA_UART1_RX, 0);
	IOMUXC_SetPinConfig(IOMUXC_UART1_TX_DATA_UART1_TX, 0x10B0);
	IOMUXC_SetPinConfig(IOMUXC_UART1_RX_DATA_UART1_RX, 0x10B0);
}

// 关闭指定的UART
void uart_disable(UART_Type *base)
{
	base->UCR1 &= ~(1<<0);
}	

// 打开指定的UART
void uart_enable(UART_Type *base)
{
	base->UCR1 |= (1<<0);	
}

// 复位指定的UART
void uart_softreset(UART_Type *base)
{
	base->UCR2 &= ~(1<<0);				// 复位
	while((base->UCR2 & 0x1) == 0);		// 等待复位完成，复位完成后此位自动置1
}

// 设置波特率，由官方 SDK 包移植过来
void uart_setbaudrate(UART_Type *base, unsigned int baudrate, unsigned int srcclock_hz);

// 发送一个字符
void putc(unsigned char c)
{
	while(((UART1->USR2 >>3) &0x01)==0);	// 等待上一次发送完成，发送完成会清零
	UART1->UTXD = c & 0xFF;					
}

// 发送一个字符串
void puts(char *str)
{
	char *p = str;
	while(*p)
	{
		putc(*p++);
	}
}

// 接收一个字符
unsigned char getc()
{
	while((UART1->USR2 & 0x1)==0);	// 等待接收完成
	return UART1->URXD;
}

// 防止编译器报错
void raise(int sig_nr)
{}
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main.c

#include "bsp_clk.h"
#include "bsp_delay.h"
#include "bsp_led.h"
#include "bsp_beep.h"
#include "bsp_key.h"
#include "bsp_int.h"
#include "bsp_uart.h"

int main()
{
	unsigned char a = 0;
	unsigned char state = OFF;
	int_init();
	imx6u_clkinit();
	delay_init();
	clk_enable();
	led_init();
	beep_init();
	uart_init();
	while(1)
	{
		puts("请输入一个字符：");
		a=getc();
		putc(a);	// 数据回显，就是将输入的数据显示出来，如果没有这一行，效果就像linux系统中输入密码什么都不显示一样
		puts("\r\n");
			
		puts("输入的字符为：");
		putc(a);
		puts("\r\n\r\n");

		state = !state;
		led_switch(LED0, state);
	}
	return 0;
}
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1.5 编译下载

在通用makefile文件中，将 TARGET 修改为 uart，在 INCDIRS 和 SRCDIRS 中加入 bsp/uart。在设置波特率函数中使用到了除法运算，链接的时候需要将编译器的数学库也链接进来，并且使用 -L来指定库所在的目录。

LIBPATH := -lgcc -L /usr/local/arm/gcc-linaro-4.9.4-2017.01-x86_64_arm-linux-gnueabihf/lib/gcc/arm-linux-gnueabihf/4.9.4
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-fno-builtin表示不使用内建函数，也就可以自己实现该函数，否则会发生冲突

$(SOBJS) : obj/%.o : %.S
	$(CC) -Wall -nostdlib -fno-builtin -c -O2 $(INCLUDE) -o $@ $<
$(COBJS) : obj/%.o : %.c
	$(CC) -Wall -nostdlib -fno-builtin -c -O2 $(INCLUDE) -o $@ $<
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2. 串口格式化函数

2.1 代码实例

其余函数基本不变，多添加一个stdio.h头文件

int main()
{
	int a, b;
	unsigned char state = OFF;
	int_init();
	imx6u_clkinit();
	delay_init();
	clk_enable();
	led_init();
	beep_init();
	uart_init();
	while(1)
	{
		printf("请输入两个整数：");
		scanf("%d%d, &a, &b);
		printf("\r\n数据%d + %d = %d\r\n\r\n",a,b,a+b);
		state = !state;
		led_switch(LED0, state);
	}
	return 0;
}
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2.2 编译下载

修改 TARGET，在 INCDIRS 中添加stdio/include，在 SRCDIRS 中添加 stdio/lib。编译C文件时需要添加选项

$(COBJS) : obj/%.o : %.c
	$(CC) -Wall -Wa,-mimplicit-it=thumb -nostdlib -fno-builtin -c -O2
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