[IMX] 05.串口 - UART

空闲位：数据线在空闲状态时为逻辑 "1" 状态（高电平），表示没有数据线空闲，没有数据传输；
起始位：当要传输数据时先传输一个逻辑 "0"，也就是将数据线电平拉低，表示开始数据传输；
数据位：数据位就是实际要传输的数据，数据位可选择 5~8 位，一般按照字节传输数据，一个字节占 8 位，因此数据位通常为 8 位，低位在前，先传输，高位最后传输；
奇偶校验位：对数据中为 "1" 的位进行奇偶校验，可以不使用奇偶校验功能；
停止位：数据传输完成标志位，停止位的位数可以选择 1 位、1.5 位或 2 位的高电平，一般选择 1 位停止位；
波特率：波特率是 UART 数据传输的速率，即每秒传输的数据位数，一般选择 9600、19200、115200 等；

2.电平标准

UART 接口电平有 TTL 和 RS-232 两种标准

一般开发板上都有 TXD 和 RXD 引脚，引脚的低电平表示逻辑 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

下图所示的就是 TTL 电平的接口：

上面图片中的模块为 USB 转 TTL 模块，TTL 接口部分有 VCC、GND、RXD、TXD、 RTS 和 CTS 引脚，使用时通过杜邦线和其他模块的 TTL 接口相连即可

RS-232 电平标准需要使用 DB9 接口，I.MX6U-ALPHA 开发板上的 COM3 (UART3) 口就是 RS-232 接口：

由于现在的电脑都没有 DB9 接口了，取而代之的是 USB 接口，所以就催生出了很多 USB 转串口 TTL 芯片，比如 CH340、PL2303 等，通过这些芯片可以实现串口 TTL 转 USB

I.MX6U-ALPHA 开发板使用 CH340 芯片完成 UART1 和电脑之间的连接，只需要一条USB 线即可：

3.IMX UART 模块

I.MX6U 一共有 8 个 UART 模块，主要特性如下：

兼容 TIA/EIA-232F 标准，速度最高可到 5Mbit/s；
支持串行 IR 接口，兼容 IrDA，最高可到 115.2Kbit/s；
支持 9 位或者多节点模式 (RS-485)；
1 或 2 位停止位；
可编程的奇偶校验 (奇校验和偶校验)；
自动波特率检测 (最高支持 115.2Kbit/s)；

4.时钟寄存器 - CCM_CSCDR1

UART 的时钟源由寄存器 CCM_CSCDR1 的 UART_CLK_SEL[6] 位选择：

UART_CLK_SEL 为 0 时 UART 的时钟源为 pll3_80m (80MHz)

UART_CLK_SEL 为 1 时 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[5:0] 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 的时钟频率为 80MHz

5.控制寄存器

UART_UCR1 ~ UART_UCR4 这四个寄存器用于配置 UART 模块的相关功能，如自动波特率使能、奇偶校验模式等

5.1.UART_UCR1

其中，重点关注如下几个位域：

ADBR[14]：自动波特率检测使能，为 0 时关闭自动波特率检测，为 1 时使能自动波特率检测；
UARTEN[0]：UART 使能，为 0 时关闭 UART，为 1 时使能 UART；

5.2.UART_UCR2

其中，重点关注如下几个位域：

IRTS[14]：为 0 时使用 RTS 引脚功能，为 1 时忽略 RTS 引脚；
PREN[8]：奇偶校验使能，为 0 时关闭奇偶校验，为 1 时使能奇偶校验；
PROE[7]：奇偶校验模式选择，开启奇偶校验后，若该位为 0 则使用偶校验，为 1 使用奇校验；
STOP[6]：停止位数量，为 0 表示使用 1 位停止位，为 1 表示使用 2 位停止位；
WS[5]：数据位长度，为 0 时选择 7 位数据位，为 1 时选择 8 位数据位；
TXEN[2]：发送使能位，为 0 时关闭 UART 的发送功能，为 1 时打开 UART 的发送功能；
RXEN[1]：接收使能位，为 0 时关闭 UART 的接收功能，为 1 时打开 UART 的接收功能；
SRST[0]：软件复位，向该位写 0 复位 UART，为 1 时表示复位完成，复位完成后此位会自动置 1，表示复位完成，只能向该位写 0，写 1 会被忽略；

5.3.UART_UCR3

这里只关注 RXDMUXSEL[2]，该位用于设置复用输入，但是 IMX UART 使用 MUXED 模式，因此该位始终为 1

6.状态寄存器

6.1.UART_USR1

例程未使用该寄存器

6.2.UART_USR2

其中，主要关注一下位域：

TXDC[3]：发送完成标志位，为 1 时表明发送缓冲 TxFIFO 和移位寄存器为空，即发送完成，向 TxFIFO 写入数据此位就会自动清零；
RDR[0]：数据接收标志位，为 1 时表明至少接收到一个数据，从寄存器 UART_URXD 接收到数据后此位会自动清零；

7.FIFO 控制寄存器 - UART_UFCR

其中，关注 RFDIV[9:7] 位域，其用于设置时钟源的分频系数：

0b000：6 分频；
0b001：5 分频；
0b010：4 分频；
0b011：3 分频；
0b100：2 分频；
0b101：1 分频；
0b110：7 分频；
0b111：保留

这里需要注意的是，分频系数和位域的值不是一一对应的关系

8.波特率寄存器

8.1.分母 - UART_UBIR

BRM（Binary Rate Multiplier）用于生成 16x 的波特率

UART_UBIR 寄存器的 INC[15:0] 位域存储计算波特率的分母：

8.2.分子 - UART_UBMR

UART_UBMR 寄存器的 MOD[15:0] 存储计算波特率的分子：

9.波特率计算

波特率的计算公式如下：

Ref Freq：经过分频进入 UART 的时钟频率；
UBMR：寄存器 UART_UBMR 中的值，分子；
UBIR：寄存器 UART_UBIR 中的值，分母；

通过 UART_UFCR 的 RFDIV 位、UART_UBMR 和 UART_UBIR 寄存器中的值即可计算波特率，例如，要设置 UART 的波特率为 115200，则可以设置 RFDIV 为 0x5 (0b101)，即 1 分频，因此 RefFreq = 80MHz，设置 UBIR = 71，UBMR = 3124，根据公式可得：

10.接收数据寄存器 - UART_URXD

其中关注 RX_DATA[7:0] 位域，其中保存接收到的数据，读取该位域即可获得接收的数据，在 7-bit 模式下，最高位强制为 0，在 8-bit 模式下，全部的 8-bit 均为有效数据位

11.发送数据寄存器 - UART_UTXD

TX_DATA[7:0] 保存将要发送的数据，在 7-bit 模式下忽略最高位，在 8-bit 模式下，全部的 8-bit 均为有效位，数据发送时从最低位开始发送，仅当 UART_USR1.TRDY 为 1 时才允许向 TX_DATA[7:0] 写入数据，防止产生冲突

12.代码实现

cpp 复制代码

// uart.h

#ifndef _UART_H
#define _UART_H

#include "nxp.h"

// 函数声明
void uart_init(void);
void uart_io_init(void);
void uart_disable(UART_Type *base);
void uart_enable(UART_Type *base);
void uart_soft_reset(UART_Type *base);
void uart_set_baudrate(UART_Type *base, uint32_t baudrate, uint32_t clk);

// 注意，在 stdio.h SDK 中会使用下面这三个接口
// 因此两边的函数定义一定要保持一致
void putc(unsigned char c);
void puts(char *str);
unsigned char getc(void);

// 下面这个函数用于防止编译器报错
void raise(int sig_nr);

#endif /* _UART_H */

cpp 复制代码

// uart.c

#include "uart.h"

/* 初始化串口 UART1 使用的 IO 引脚 */
void uart_io_init(void)
{
    /* 初始化 IO 复用
     * UART1_RX_DATA 引脚功能选择为 UART1_RXD（配置 IOMUXC_SW_MUX_CTL_PAD_UART1_RX_DATA 寄存器）
     * UART1_TX_DATA 引脚功能选择为 UART1_TXD（配置 IOMUXC_SW_MUX_CTL_PAD_UART1_TX_DATA 寄存器）
     */
    IOMUXC_SetPinMux(IOMUXC_UART1_TX_DATA_UART1_TX, 0);
    IOMUXC_SetPinMux(IOMUXC_UART1_RX_DATA_UART1_RX, 0);

    /* 配置 UART1_RXD 和 UART1_TXD 引脚的电气特性
     * 配置 IOMUXC_SW_PAD_CTL_PAD_UART1_TX_DATA 寄存器
     * 配置 IOMUXC_SW_PAD_CTL_PAD_UART1_RX_DATA 寄存器
     * 这两个引脚的电气特性一样，相关位域的配置如下：
     * HYS[16]：使能迟滞比较器，0b0，禁用
     * PUS[15:14]：上拉/下拉电阻值，0b00，下拉
     * PUE[13]：引脚状态保持，0b0，不保持引脚电平值
     * PKE[12]：状态保持器使能，0b1，使能
     * ODE[11]：开漏输出使能，0b0，禁用
     * SPEED[7:6]：IO 速率，0b10，100MHz
     * DSE[5:3]：IO 驱动能力，0b110，R0/6
     * SRE[0]：压摆率，0b0，低压摆率
     * 因此，最终要写入寄存器的值为：0x000010B0
     */
    IOMUXC_SetPinConfig(IOMUXC_UART1_TX_DATA_UART1_TX, 0x000010B0);
    IOMUXC_SetPinConfig(IOMUXC_UART1_TX_DATA_UART1_RX, 0x000010B0);
}

/* 启用指定的 UART 模块 */
void uart_enable(UART_Type *base)
{
    /* 向 UART_UCR1 寄存器的 UARTEN[0] 位写 1 使能 UART 模块 */
    base->UCR1 |= (0b1 << 0);
}

/* 禁用指定的 UART 模块 */
void uart_disable(UART_Type *base)
{
    /* 向 UART_UCR1 寄存器的 UARTEN[0] 位写 0 禁用 UART 模块 */
    base->UCR1 &= ~(0b1 << 0);
}

/* UART 复位 */
void uart_soft_reset(UART_Type *base)
{
    /* 向 UART_UCR2 寄存器的 SRST[0] 位写 0 发送 UART 模块复位请求
     * 复位完成后，SRST[0] 会自动恢复为 1
     */
    base->UCR2 &= ~(0b1 << 0);

    /* 等待复位完成 */
    while (!(base->UCR2 & 0x00000001)) {}
}

/* 设置 UART 的波特率 */
void uart_set_baudrate(UART_Type *base, uint32_t baudrate, uint32_t clk)
{
    uint32_t numerator = 0; /* 分子 */
    uint32_t denominator = 0; /* 分母 */
    uint32_t divisor = 0;
    uint32_t refFreqDiv = 0;
    uint32_t divider = 0;
    uint64_t baudDiff = 0;
    uint64_t tempNumerator = 0;
    uint64_t tempDenominator = 0;

    /* 计算最大的除数 */
    numerator = clk;
    denominator = baudrate << 4;
    divisor = 1;

    while (denominator != 0)
    {
        divisor = denominator;
        denominator = numerator % denominator;
        numerator = divisor;
    }

    numerator = clk / 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 = clk;
    tempDenominator = (numerator << 4);
    divisor = 1;
    /* get the approximately maximum divisor */
    while (tempDenominator != 0)
    {
        divisor = tempDenominator;
        tempDenominator = tempNumerator % tempDenominator;
        tempNumerator = divisor;
    }
    tempNumerator = clk / 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，然后再写 UBMR 寄存器
        base->UBMR = UART_UBMR_MOD(numerator / divider - 1);
    }
}

/* UART1 初始化，波特率 115200 */
void uart_init(void)
{
    /* 初始化串口 IO 引脚 */
    uart_io_init();

    /* 初始化 UART1 */
    uart_disable(UART1); /* 先禁用 UART1 */
    uart_soft_reset(UART1); /* 复位 UART1 */

    /* 清除 UCR1 寄存器 */
    UART1->UCR1 = 0;

    /* 关闭自动波特率检测：UART1_UCR1.ADBR[14] 置 0 */
    UART1->UCR1 &= (0b1 << 14);

    /* 配置 UART：UART_UCR2 寄存器
     * IRTS[14]：1，忽略 RTS 引脚
     * PREN[8]： 0，关闭奇偶校验校验
     * STPB[6]： 0，1 位停止位
     * WS[5]：   1，8-bit 数据位
     * TXEN[2]： 1，使能发送
     * RXEN[1]： 1，使能接收
     */
    UART1->UCR2 |= (0b1 << 14) | (0b1 << 5) | (0b1 << 2) | (0b1 << 1);

    /* 配置 UART1_UCR3 寄存器，将 RXDMUXSEL[2] 设置为 1（该位必须始终为 1） */
    UART1->UCR3 |= (0b1 << 2);

    /* 设置波特率 */
#if 0
    /*
     * 波特率计算公式: BaudRate = RefFreq / (16 * (UBMR + 1) / (UBIR+1))
     * 如果要设置波特率为 115200，则使用如下参数:
     * RefFreq = 80MHz，寄存器 UART_UFCR 的 RFDIV[9:7] = 0b101， 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 = (0b101 << 7); /* refFreq = ipg_clk / 1 = 80MHz */
    UART1->UBIR = 71;
    UART1->UBMR = 3124;
#endif

    /* 也可以通过以下函数计算并设置波特率 */
// #if 0
    uart_set_baudrate(UART1, 115200, 80000000); /* 设置波特率 */
// #endif

    /* 串口使能 */
    uart_enable(UART1);
}

/* 通过串口发送一个字符 */
void putc(unsigned char c)
{
    /* 等待上一次发送完成 */
    while (!(UART1->USR2 & 0x00000008)) {}

    /* 发送字符：将字符值（ASCII 码）写入 UTXD 寄存器 */
    UART1->UTXD = (c & 0xFF);
}

/* 发送字符串 */
void puts(char *str)
{
    char *p = str;

    while (*p)
    {
        putc(*p);

        p++;
    }
}

/* 接收一个字符 */
unsigned char getc(void)
{
    /* 等待接收完成 */
    while (!(UART1->USR2 & 0x00000001)) {}

    /* 返回接收到的字符 */
    return UART1->URXD;
}

/* 该函数仅用于防止编译器报错 */
void raise(int sig_nr) 
{

}