【Linux驱动开发】Linux UART 通信详解：从硬件到驱动再到应用

Linux UART 通信详解：从硬件到驱动再到应用

UART（Universal Asynchronous Receiver/Transmitter）是嵌入式与 PC 领域最常见、最基础的异步串行通信接口。Linux 内核将其抽象为 TTY/串口子系统，为上层提供统一、可移植的访问方式。本文从硬件原理、协议帧格式、底层驱动框架、内核与用户态接口、实际应用到调试方法，系统梳理 Linux UART 通信的全景。

1. 硬件原理

1.1 物理层

信号线：TX（发送）、RX（接收）、GND（地）即可通信；可选 RTS/CTS（硬件流控）、DTR/DSR、RI/DCD（调制解调器状态）。
电平标准 ：
- TTL（3.3 V / 5 V）直接接 MCU/SoC；
- RS-232：±3~15 V，需电平转换芯片（MAX3232 等）；
- RS-485：差分、半双工、抗干扰，需收发器（MAX3485 等）。
波特率：常见 9600、115200、921600、3 M、4 Mbps（受芯片与时钟限制）。

1.2 UART 控制器内部框图

发送端：TX FIFO → 并串转换 → 发送移位寄存器 → TX 引脚；
接收端：RX 引脚 → 接收移位寄存器 → 并串转换 → RX FIFO；
波特率生成器 ：基于输入时钟分频（div = clk / (baud × oversample)，通常 16× 过采样）；
中断/DMA：TX FIFO 空、RX FIFO 触发阈值、帧错误、Break、Overrun 等；
流控：RTS/CTS 自动拉低/拉高，或软件流控 XON/XOFF。

2. 协议帧格式

UART 是异步字节流协议，无共享时钟，靠"起始位"同步。

字段	位数	说明
起始位	1	低电平
数据位	5~9	LSB 在前，常见 8 位
校验位	0/1	可选奇/偶/标记/空间
停止位	1/1.5/2	高电平，常见 1 位

空闲位 ：线路保持高电平；Break：故意拉低 > 一帧时间，用于唤醒或信号。

3. Linux 内核驱动框架

Linux 把 UART 纳入 TTY 子系统，分层：

3.1 核心数据结构

struct uart_driver：一个芯片厂商驱动实例，注册到内核；
struct uart_port：描述一组寄存器/IO 映射、IRQ、FIFO 深度等；
struct uart_ops：底层回调（startup/shutdown/tx_empty/set_mctrl/...）；
struct tty_port：与 TTY 层交互，管理缓冲、流量控制、线路规程；
struct tty_driver：TTY 层向上提供字符设备（/dev/ttyS*, /dev/ttyAMA*, /dev/ttyUSB* 等）。

3.2 注册流程（简化）

驱动 module_init() 中 uart_register_driver()；
设备树/ACPI 或平台代码探测到端口 → uart_add_one_port()；
TTY 层自动创建设备节点，用户空间 open(/dev/ttyS0) 即关联到该端口；
线路规程（N_TTY 默认，或 N_PPS/N_IRDA/...）负责把字节流加工成行缓冲/包。

3.3 数据收发

轮询（早期） ：uart_console_write() 在启动阶段；
中断：RX 触发 → serial_in() 读 FIFO → tty_insert_flip_char() → tty_flip_buffer_push() → 用户 read()；
DMA ：
- 散聚 DMA（dmaengine）把 UART FIFO 与内存环形缓冲绑定；
- 减少 CPU 介入，115200×8×N 路同时收发无压力；
- 需要驱动实现 dma_rx_push/dma_tx_submit。

3.4 流控实现

软件流控 (XON/XOFF) ：线路规程识别 ^S/^Q，驱动自动停/启 TX；
硬件流控 (RTS/CTS) ：
- 驱动 set_mctrl() 拉高/拉低 RTS；
- RX FIFO 快满 → 拉低 RTS；CTS 为低则硬件自动停 TX；
- 与 RS-485 半双工联动：发数据前拉高 DE（Driver Enable），发完产生 TX-Done 中断 → 拉低 DE，避免总线冲突。

3.5 控制台与早期打印

console_initcall() 注册 struct console；
内核启动早期 printk() → uart_console_write() 直接写 TX 寄存器，无中断；
后期 console_on_rootfs → 切换到 TTY 层，支持 getty/login。

4. 用户态访问与配置

4.1 基本操作

bash 复制代码

# 查看串口设备
$ dmesg | grep tty
$ ls -l /dev/ttyS* /dev/ttyAMA* /dev/ttyUSB*

# 配置波特率 115200 8N1，无流控
$ stty -F /dev/ttyS0 115200 cs8 -cstopb -parenb -ixon -ixoff

# 收发数据
$ cat /dev/ttyS0 &
$ echo "hello" > /dev/ttyS0

4.2 termios 编程

c 复制代码

#include <termios.h>
#include <fcntl.h>
#include <unistd.h>

int open_uart(const char *dev) {
    int fd = open(dev, O_RDWR | O_NOCTTY | O_NONBLOCK);
    struct termios tio;
    tcgetattr(fd, &tio);
    cfsetispeed(&tio, B115200);
    cfsetospeed(&tio, B115200);
    tio.c_cflag &= ~PARENB;   // 无校验
    tio.c_cflag &= ~CSTOPB;   // 1 停止位
    tio.c_cflag &= ~CSIZE;
    tio.c_cflag |= CS8;       // 8 数据位
    tio.c_cflag |= CREAD | CLOCAL;
    tcsetattr(fd, TCSANOW, &tio);
    return fd;
}

4.3 高级：RAW 模式、非阻塞、select/epoll

cfmakeraw() 关闭行缓冲、回显；
VMIN=0 VTIME=0 实现非阻塞立即返回；
select/poll/epoll 监听可读/可写，配合环形缓冲实现高吞吐。

5. 实际应用场景

场景	典型芯片/接口	注意要点
启动控制台	x86 `/dev/ttyS0`, ARM `/dev/ttyAMA0`	波特率 115200，需在内核 `console=ttyS0,115200`
GPS 模块	TTL 3.3 V，9600/115200	注意电平匹配，用 PPS 线路授时
RS-485 传感器网络	半双工，MAX3485	需 GPIO 控制 DE/RE，驱动里 `rs485conf`
蓝牙 HCI	UART H:4	需硬件流控，波特率 921600
固件升级	bootloader UART	通常 8N1，115200，XMODEM/YMODEM

6. 调试与故障排查

6.1 信号测量

示波器/逻辑分析仪：查看 TX/RX 波形，确认波特率、起始/停止位、抖动；
差分探头测 RS-485 A/B 波形，检查反射/终端匹配（120 Ω）。

6.2 软件跟踪

dmesg 查看 Overrun/Framing Error；
cat /proc/tty/driver/serial 显示内部计数；
stty -F /dev/ttyS0 -a 查看当前配置；
setserial -a /dev/ttyS0 查看 UART 类型、FIFO 深度、端口/IRQ；
irqtop/perf 监测中断频率，判断是否频繁 Overrun。

6.3 常见故障

现象	可能原因	排查/解决
乱码	波特率/格式不匹配	双方 `stty` 对比，示波器测位宽
丢字节	Overrun，RX FIFO 溢出	提高波特率容错，启用 DMA，降低中断延迟
无响应	TX/RX 反接	交叉线 TX→RX，RX→TX；RS-485 A/B 接反
高误码	电缆过长/无屏蔽	降波特率，用 RS-485/422 差分，加终端电阻
流控失效	线路未接/极性错	万用表量 RTS/CTS 电平，驱动里 `autocts`

7. 性能优化要点

DMA 环形缓冲：减少每字节中断，CPU 占用 <1% @ 4 Mbps；
中断亲和：把 UART IRQ 绑定到单独核，避免任务迁移；
FIFO 阈值调优：RX 触发 1/2 FIFO，平衡延迟与吞吐；
内核抢占/实时：PREEMPT_RT 下，中断线程化，抖动 < 100 µs；
RS-485 切换延迟：DE→TX 使能后 ≥ 1 字符时间再发数据，避免首字节截断；
用户态环形缓冲 + mmap ：部分驱动支持 mmap() 直接访问 flip buffer，零拷贝。

8. 小结

UART 看似简单，却贯穿"物理层→帧格式→控制器→驱动→TTY 子系统→用户 API"完整链条。理解硬件过采样、FIFO/中断/DMA、线路规程与流控，是排查乱码/丢包/延迟的关键。Linux 提供标准化 TTY 接口，让同一套 termios/poll 代码可复用到 ttyS/ttyAMA/ttyUSB/ttyXR 等不同芯片。掌握上述原理与调试方法，可在嵌入式、工控、物联网、蓝牙/RS-485 多节点网络中快速定位问题并榨干最后一滴带宽。

附录：参考文档

Linux Kernel: Documentation/serial/, drivers/tty/serial/8250.c, serial_core.c
RS-232/485 标准：TIA/EIA-232-F, TIA-485-A
芯片手册：TI MAX3232, MAX3485, CP2102, FT232RL, PL2303
LDD3 Chapter 18: "TTY Drivers"
书籍：《Linux 设备驱动开发详解》《嵌入式 Linux 开发教程》

本文档示例基于 Linux 4.4.94，不同版本内核接口基本一致，DMA/RS-485 配置细节请以实际 SoC 手册与驱动为准。