Linux内核早期打印机制与RS485通信技术

往期内容

本专栏往期内容：Uart子系统

UART串口硬件介绍

深入理解TTY体系：设备节点与驱动程序框架详解

Linux串口应用编程：从UART到GPS模块及字符设备驱动

解UART 子系统：Linux Kernel 4.9.88 中的核心结构体与设计详解

IMX 平台UART驱动情景分析：注册篇

IMX 平台UART驱动情景分析：open篇

IMX 平台UART驱动情景分析：read篇--从硬件驱动到行规程的全链路剖析

IMX 平台UART驱动情景分析：write篇--从 TTY 层到硬件驱动的写操作流程解析

深入浅出UART驱动开发与调试：从基础调试到虚拟驱动实现
10.Linux 内核日志系统---printk的机制与应用

interrupt子系统专栏：

专栏地址：interrupt子系统

Linux 链式与层级中断控制器讲解：原理与驱动开发
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pinctrl和gpio子系统专栏：

专栏地址：pinctrl和gpio子系统

编写虚拟的GPIO控制器的驱动程序：和pinctrl的交互使用

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input子系统专栏：

专栏地址：input子系统

input角度：I2C触摸屏驱动分析和编写一个简单的I2C驱动程序
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I2C子系统专栏：

专栏地址：IIC子系统

具体芯片的IIC控制器驱动程序分析：i2c-imx.c-CSDN博客
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总线和设备树专栏：

专栏地址：总线和设备树

设备树与 Linux 内核设备驱动模型的整合-CSDN博客
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往期内容
前言
1.early_printk和earlycon
- [1.1 内核信息的早期打印](#1.1 内核信息的早期打印)
- [1.2 early_printk](#1.2 early_printk)
- [1.3 earlycon](#1.3 earlycon)
2.RS485简单讲解
- [2.1 RS485线路图](#2.1 RS485线路图)
- [2.2 RS485应用编程](#2.2 RS485应用编程)
- - [2.2.1 标准用法](#2.2.1 标准用法)
  - [2.2.2 自己控制引脚](#2.2.2 自己控制引脚)
- [2.3 驱动速览](#2.3 驱动速览)
- - [2.3.1 使用GPIO的RS485驱动](#2.3.1 使用GPIO的RS485驱动)

前言

本文围绕Linux内核早期打印机制和RS485通信技术展开，详细解析了early_printk和earlycon的实现与使用场景，以及RS485的基础原理和应用实践。在早期打印部分，阐明了early_printk和earlycon的区别：前者通过手动实现打印函数实现早期日志输出，后者则结合设备树实现灵活硬件映射，适用于现代系统。在RS485部分，介绍了其差分信号传输、抗干扰能力强等技术特点，并结合SP3485芯片说明了发送与接收的硬件原理，同时提供了Linux环境下的标准驱动编程示例，涵盖RTS控制模式与GPIO实现方式。

1.early_printk和earlycon

linux 4.9.88

arch\arm\kernel\early_printk.c📎early_printk.c
drivers\tty\serial\earlycon.c📎earlycon.c

1.1 内核信息的早期打印

console驱动，它属于uart_driver的一部分。

注册了uart_driver、并调用uart_add_one_port后，它里面才注册console，在这之后才能使用printk。

如果想更早地使用printk函数，比如在安装UART驱动之前就使用printk，这时就需要自己去注册console。

更早地、单独地注册console，有两种方法：

early_printk：自己实现write函数，不涉及设备树，简单明了
earlycon：通过设备树传入硬件信息，跟内核中驱动程序匹配

earlycon是新的、推荐的方法，在内核已经有驱动的前提下，通过设备树或cmdline指定寄存器地址即可。

1.2 early_printk

源码为：arch\arm\kernel\early_printk.c，要使用它，必须实现这几点：

配置内核，选择：CONFIG_EARLY_PRINTK
内核中实现：printch函数
cmdline中添加：earlyprintk

1.3 earlycon

arch\arm\kernel\early_printk.c📎early_printk.c

drivers\tty\serial\earlycon.c📎earlycon.c

提供硬件信息的两种方法：

earlycon就是early console的意思，实现的功能跟earlyprintk是一样的，只是更灵活。

我们知道，对于console，最主要的是里面的write函数：它不使用中断，相对简单。

所以很多串口console的write函数，只要确定寄存器的地址就很容易实现了。

假设芯片的串口驱动程序，已经在内核里实现了，我们需要根据板子的配置给它提供寄存器地址。

怎么提供？

设备树
cmdline参数

c 复制代码

early_param("earlycon", param_setup_earlycon);
//如上图所示，当在cmdline参数中有erlycon这个属性的时候，就会导致param_setup_earlycon被调用

/* early_param wrapper for setup_earlycon() */
static int __init param_setup_earlycon(char *buf)
{
	int err;

	/*
	 * Just 'earlycon' is a valid param for devicetree earlycons;
	 * don't generate a warning from parse_early_params() in that case
	 */
	if (!buf || !buf[0]) {
		if (IS_ENABLED(CONFIG_ACPI_SPCR_TABLE)) {
			earlycon_init_is_deferred = true;
			return 0;
		} else {
			return early_init_dt_scan_chosen_stdout(); //1. earlycon不带参数，参数采用设备节点表示
		}
	}

	err = setup_earlycon(buf);  //2. earlycon = XX，带参数
	if (err == -ENOENT || err == -EALREADY)
		return 0;
	return err;
}

如果cmdline中只有"earlycon"，不带更多参数：对应early_init_dt_scan_chosen_stdout函数
- 使用"/chosen"下的"stdout-path"找到节点
- 或使用"/chosen"下的"linux,stdout-path"找到节点
- 节点里有"compatible"和"reg"属性
  - 根据"compatible"找到OF_EARLYCON_DECLARE，里面有setup函数，它会提供write函数
  - write函数写什么寄存器？在"reg"属性里确定
如果cmdline中"earlycon=xxx"，带有更多参数：对应setup_earlycon函数
- earlycon=xxx格式为：

shell 复制代码

<name>,io|mmio|mmio32|mmio32be,<addr>,<options>
<name>,0x<addr>,<options>
<name>,<options>
<name>

- 根据"name"找到OF_EARLYCON_DECLARE，里面有setup函数，它会提供write函数
- write函数写什么寄存器？在"addr"参数里确定

2.RS485简单讲解

Documentation\serial\serial-rs485.txt📎serial-rs485.txt

2.1 RS485线路图

RS485通信----基本原理+电路图-CSDN博客

RS485 是美国电子工业协会（Electronic Industries Association，EIA）于1983年发布的串行通信接口标准，经通讯工业协会（TIA）修订后命名为 TIA/EIA-485-A。

RS485 是一种工业控制环境中常用的通讯协议，其中RS 是 Recommended Standard 的缩写。

RS485 是半双工异步串行通信。

特点

支持多节点：一般最大支持 32 个节点。
传输距离远：最远通讯距离可达1200米。
抗干扰能力强：差分信号传输。
连接简单：只需要两根信号线（A+和B-）就可以进行正常的通信。

差分信号传输

RS485 通信采用差分信号传输，通常情况下只需要两根信号线就可以进行正常的通信。

在差分信号中，逻辑0和逻辑1是用两根信号线（A+和B-）的电压差来表示。

逻辑 1：两根信号线（A+和B-）的电压差在 +2V～+6V 之间。
逻辑 0：两根信号线（A+和B-）的电压差在 -2V～-6V 之间。

SP3485 芯片****是一款非常经典的+3.3V低功耗半双工RS485收发器

RS485使用A、B两条差分线传输数据：

要发送数据时
- 把SP3485的DE(Driver output Enable)引脚设置为高
- 通过TxD引脚发送1给SP3485，SP3485会驱动A、B引脚电压差为+2~+6V
- 通过TxD引脚发送0给SP3485，SP3485会驱动A、B引脚电压差为-6~-2V
- SP3485自动把TxD信号转换为AB差分信号
- 对于软件来说，通过RS485发送数据时，跟一般的串口没区别，只是多了DE引脚的设置
要读取数据时
- 把SP3485的nRE(Receiver Output Enable)引脚设置为低
- SP3485会根据AB引脚的电压差驱动RO为1或0
- RO的数据传入UART的RxD引脚
- 对于软件来说，通过RS485读取数据时，跟一般的串口没区别，只是多了nRE引脚的设置

nRE和DE使用同一个引脚时，可以简化成这样：
- 发送：RTS输出高 --- 导致DE为高，使能发送，nRE为低，接收禁止
- 接收：RTS输出低 ---- 导致nRE为低，使能接收，DE为低，发送禁止

引脚	名称	功能
1	RO	接收器输出----接RX
2	RE	接收器输出使能（低电平-接收使能）
3	DE	驱动器输出使能（高电平-发送使能）
4	DI	驱动器输入----接TX
5	GND	接地
6	A	驱动器输出/接收器输入（同相）
7	B	驱动器输出/接收器输入（反相）
8	VCC	芯片供电+3.3V

2.2 RS485应用编程

2.2.1 标准用法

在Linux的串口驱动中，它已经支持RS485，可以使用RTS引脚控制RS485芯片的DE引脚，分两种情况

有些UART驱动：使用UART的RTS引脚
有些UART驱动：使用GPIO作为RTS引脚，可以通过设备树指定这个GPIO

在使用RS485发送数据前，把RTS设置为高电平就可以。

通过serial_rs485结构体控制RTS，示例代码如下：

c 复制代码

#include <linux/serial.h>

/* 用到这2个ioctl: TIOCGRS485, TIOCSRS485 */
#include <sys/ioctl.h>

struct serial_rs485 rs485conf;

/* 打开串口设备 */
int fd = open ("/dev/mydevice", O_RDWR);
if (fd < 0) {
    /* 失败则返回 */
    return -1;
}

/* 读取rs485conf */
if (ioctl (fd, TIOCGRS485, &rs485conf) < 0) {
    /* 处理错误 */
}

/* 使能RS485模式 */
rs485conf.flags |= SER_RS485_ENABLED;

/* 当发送数据时, RTS为1 */
rs485conf.flags |= SER_RS485_RTS_ON_SEND;

/* 或者: 当发送数据时, RTS为0 */
rs485conf.flags &= ~(SER_RS485_RTS_ON_SEND);

/* 当发送完数据后, RTS为1 */
rs485conf.flags |= SER_RS485_RTS_AFTER_SEND;

/* 或者: 当发送完数据后, RTS为0 */
rs485conf.flags &= ~(SER_RS485_RTS_AFTER_SEND);

/* 还可以设置: 
 * 发送数据之前先设置RTS信号, 等待一会再发送数据
 * 等多久? delay_rts_before_send(单位ms)
 */
rs485conf.delay_rts_before_send = ...;

/* 还可以设置: 
 * 发送数据之后, 等待一会再清除RTS信号
 * 等多久? delay_rts_after_send(单位ms)
 */
rs485conf.delay_rts_after_send = ...;

/* 如果想在发送RS485数据的同时也接收数据, 还可以这样设置 */
rs485conf.flags |= SER_RS485_RX_DURING_TX;

if (ioctl (fd, TIOCSRS485, &rs485conf) < 0) {
    /* 处理错误 */
}

/* 使用read()和write()就可以读、写数据了 */

/* 关闭设备 */
if (close (fd) < 0) {
    /* 处理错误 */
}

2.2.2 自己控制引脚

发送之前，自己设置GPIO控制DE引脚。

2.3 驱动速览

源码为：Linux-4.9.88\drivers\tty\serial\imx.c：📎imx.c

2.3.1 使用GPIO的RS485驱动

这里只是举个例子。

源码为：Linux-4.9.88\drivers\tty\serial\omap-serial.c📎omap-serial.c

1. 从设备树获得用作RTS的GPIO

2.发送数据前设置GPIO