ARM之uart

CQ_YM2026-01-27 8:19

一、UART 核心概念深度解析

要熟练掌握 UART 开发，必须先吃透通信领域的核心概念，明确 UART 在各类通信方式中的定位，结合串口通信的底层逻辑进一步深化理解：

1. 通信本质与分类基础

嵌入式系统中的通信，本质是两个或多个主机之间的有序二进制数据交互，主机可包括计算机、嵌入式开发板、芯片、传感器等，核心是实现数据的可靠传输与解析。按数据传输方式，通信可分为两大类：

  • 并行通信 ：多个比特同时通过并行线传输，传输速率高，但占用大量芯片 IO 资源、布线复杂（多线间串扰严重），仅适用于近距离高速场景（如 CPU 与内存、FPGA 内部模块通信）。
  • 串行通信 ：将数据拆分为单个比特，按先后次序在一根 / 两根总线上传输，系统占用资源少、结构简单，是主机间远距离通信的常用方式。串口通信（Serial Port） 是串行通信的重要分支，属于异步通信，RS232、RS485、RS422 均为串行通信的典型实现标准，UART 是串口通信的核心硬件模块。

2. 关键通信维度分类

（1）异步 vs 同步

  • 异步通信 ：无需专门的时钟信号线，收发双方通过提前约定波特率、数据位、停止位、奇偶校验位 等参数实现时序同步。每个字符的传输以 起始位 开始，以 停止位 结束，字符之间可存在任意间隔（空闲位）。核心采样机制：接收端检测到起始位（低电平跳变）后，启动内部波特率发生器，在每个比特的中间时刻 采样数据（如 9600bps 时，比特时间 104.1μs，采样时刻为 52μs 处），避开比特边沿的电平不稳定区域。时钟误差容忍度：波特率误差需控制在 ±6% 以内，超过则会导致采样点偏离，数据解析错误。类比：打字时，敲击键盘的速度由使用者控制，无需严格固定间隔，只要接收端能正确识别每个字符即可。优点：硬件简单（仅需 TX/RX 两根线）；缺点：传输速率受波特率误差限制，适用于中低速传输（如 9600~115200bps），UART 是异步通信的典型代表。

  • 同步通信 ：除数据线外，需额外一根时钟线（如 I2C 的 SCL、SPI 的 SCK），由主设备控制时钟线变化，每发送一个比特就触发一次时钟信号，从设备根据时钟边沿（上升沿 / 下降沿） 采样数据。传输特征：数据连续传输，无额外的起始 / 停止位，传输效率高、速率快（SPI 可达几十 Mbps），但硬件复杂度更高（需时钟线同步）。类比：合唱团演唱，所有成员跟随指挥员的节奏保持一致，无停顿、无间隔。典型代表：SPI、I2C、SPI Flash 通信。

（2）串行 vs 并行
对比维度 串行通信 并行通信
数据线数量 1~2 根（TX/RX 独立） 与数据位宽一致（8 位 = 8 根）+ 控制信号线
传输方式 单比特依次传输，按位拼接 多比特同时传输，一次完成一个字节 / 字
实际有效速率 标称波特率为总比特率，含帧开销 标称速率为实际有效速率，无帧开销
抗干扰能力 信号路径短，串扰少，抗干扰强 多线并行，串扰严重，抗干扰弱
传输距离 远（RS485 可达 1200 米） 极近（通常 < 1 米，需阻抗匹配）
硬件工程成本 低（少信号线、少接口芯片、布线简单） 高（多信号线、需阻抗匹配、布线复杂）
典型应用场景 外设组网、远距离通信（传感器、工控） 板内高速通信（CPU - 内存、FPGA 内部）
（3）单工 vs 半双工 vs 全双工

  • 单工通信 ：数据只能沿一个固定方向传输，发送端与接收端角色永久固定，无法反向交互。硬件特征：仅需一根单向数据线，无需方向控制；典型场景：红外遥控（遥控器→电视）、广播电台（电台→收音机）、打印机（主机→打印机）、传感器单向数据上报（温湿度传感器→主控板）。

  • 半双工通信 ：数据可双向传输 ，但同一时刻只能单向进行 ，需通过硬件（如 RS485 的 DE/RE 引脚）或软件切换传输方向。硬件特征：共用一根数据线 / 总线，需方向控制引脚，多设备组网时需总线仲裁（避免同时发送导致数据冲突）；典型场景：对讲机（按住 PTT 说话、松开接收）、RS485 无流控组网（多个传感器共享 A/B 总线）、蓝牙低功耗（BLE）广播模式。

  • 全双工通信 ：数据可同时在两个方向 传输，收发双方独立工作、互不干扰，需独立的发送（TX）和接收（RX）通道。硬件特征：TX/RX 两根独立数据线，各自形成单向传输通道，无需总线仲裁；典型场景：UART 串口调试（开发板与电脑）、手机通话、RS232 点对点通信（收、发、地三根线实现全双工）、以太网通信。

（4）串口通信数据帧格式

串口通信（以 TTL 电平为例）的数据传输以 "字符帧" 为基本单元，帧结构从前往后依次为空闲位→起始位→数据位→校验位（可选）→停止位 ，常用配置为 8N1（8 数据位 + 1 停止位 + 无校验），也是嵌入式开发的标准配置。

复制代码 
【空闲位】→【起始位】→【数据位bit0】→【数据位bit1】→...→【数据位bit7】→【校验位】→【停止位】
  高电平      低电平        LSB           ...            MSB        可选        高电平
   任意长      1bit         1bit          ...            1bit       1bit       1/2bit
  • 空闲位 ：通信空闲时，数据线保持高电平（TTL 3.3V/5V，RS232 -3~-15V），标识无数据传输；若空闲位出现低电平，会被接收端误判为起始位，导致通信错误。
  • 起始位 ：发送方主动拉低数据线为低电平 ，持续 1 个比特时间，用于触发接收端开始采样（接收端检测到高→低跳变后，启动内部波特率发生器）。
  • 数据位 ：紧跟起始位之后，可配置为 7 位或 8 位（嵌入式常用 8 位），传输时先发送最低位（LSB），后发送最高位（MSB） ；实例：数据 0x12（二进制 00010010），传输顺序为 0→1→0→0→1→0→0→0（bit0~bit7）。
  • 校验位 （可选）：用于检测数据传输中的位翻转错误，嵌入式开发中常用无校验 （依赖上层协议保证完整性），工业场景可选奇 / 偶校验：
    • 奇校验：确保数据位 + 校验位中 "1" 的总数为奇数；
    • 偶校验：确保数据位 + 校验位中 "1" 的总数为偶数。
  • 停止位 ：紧跟校验位之后，拉高数据线为高电平，持续 1 个或 2 个比特时间（常用 1 个），标识一个字符帧传输结束；停止位长度越长，抗干扰能力越强，但传输效率越低。
（5）传输速率：波特率的核心意义

波特率（bit per second，记作 bps ）是串口通信的核心速率指标，表示每秒钟传输的总比特数（含起始位、数据位、校验位、停止位，即帧内所有比特）。

  • 常用波特率：1200、2400、4800、9600、19200、38400、57600、115200、230400bps，115200bps 是嵌入式开发中最常用的速率。
  • 有效字符速率计算：波特率为总比特率，需扣除帧开销（起始位、停止位、校验位）；实例：115200bps、8N1 格式（1 起始 + 8 数据 + 1 停止，无校验），每个字符占 10 比特，有效字符速率 = 115200 / 10 = 11520 字符 / 秒。
  • 波特率与比特时间的关系：比特时间 = 1 / 波特率（每个比特在数据线上的持续时间）；实例：9600bps 对应的比特时间 ≈ 1.041×10⁻⁴秒（104.1 微秒），115200bps 对应的比特时间 ≈ 8.68 微秒。
  • 波特率误差的影响：收发双方波特率必须严格一致，误差超过 ±6% 会导致接收端采样点偏离比特中间区域，出现数据解析乱码、停止位识别失败、数据丢失等问题，通信完全中断。
（6）电气标准与传输距离

串口通信的电气标准定义了 "高低电平如何表示逻辑 0 和 1" ，直接影响传输距离和抗干扰能力，核心限制因素是导线内阻导致的电压衰减 和多线间的串扰，三大主流标准对比如下（含电平转换电路 + 工程细节）：

电气标准 逻辑 0 定义 逻辑 1 定义 传输距离 抗干扰能力 核心特征 / 工程细节 典型电平转换芯片 适用场景
TTL 0V 3.3V/5V（芯片决定） <20 米 弱 板内直连，无需转换，成本最低；3.3V/5V 电平不可混接（避免 IO 口损坏） 无（直连） 板内 / 短距离通信（CH340→IMX6ULL）
RS232 +3V ~ +15V -3V ~ -15V <30 米 中 点对点全双工，需 3 根线（TX/RX/GND）；电平与 TTL 反向，需专用转换芯片 MAX232/MAX3232 电脑 - 开发板串口调试
RS485 A<B（压差≥200mV） A>B（压差≥200mV） <1200 米 极强 差分传输（抵消共模干扰）；半双工，需 A/B 两根总线；多设备组网（最多 32 个），需终端电阻 MAX485/MAX3485 工业现场传感器组网、远距离通信

工程关键细节：

  1. TTL 电平：IMX6ULL 为 3.3V 电平，51 单片机为 5V 电平，直连时需加电平转换芯片（如 TXS0108），避免 5V 电平烧毁 3.3V IO 口；
  2. RS232 电平：MAX232 芯片内置电荷泵，可将 3.3V/5V TTL 电平转换为 ±12V RS232 电平，需外接 4 个 0.1μF 电容实现电压反转；
  3. RS485 电平：
    • 差分传输：通过 A、B 两根线的电压差表示逻辑，可抵消外部电磁干扰（工业现场核心需求）；
    • 终端匹配：总线长度≥100 米时，需在总线两端设备的 A、B 引脚之间接 120Ω 终端电阻，减少信号反射；
    • 方向控制：通过 DE/RE 引脚控制收发方向（DE=1/RE=0 发送，DE=0/RE=1 接收）。
（7）串口通信的归类与定位

串口通信（以 UART 为核心硬件）在 OSI 七层网络模型 中属于物理层 + 数据链路层 ，是嵌入式开发中最基础、最常用的通信方式，核心归类为：异步、串行、全双工通信。

  • 物理层：定义电平标准（TTL/RS232/RS485）、传输介质（导线）、波特率、硬件接口；
  • 数据链路层：定义帧格式（起始位 / 数据位 / 停止位）、校验方式、数据收发规则；
  • 核心特征：支持 TTL/RS232/RS485 三种电气标准，通过电平转换芯片可适配不同传输距离和场景需求，是嵌入式外设通信的 "通用接口"。

3. 常用串口调试软件（开发实用工具 + 功能对比 + 使用技巧）

在 UART 开发调试中，串口调试软件是验证通信效果的关键工具，用于电脑与开发板之间的双向数据交互，Windows 平台下常用工具及特性、使用技巧如下：

软件名称 核心特性 优势 适用场景 专属使用技巧
STC-ISP 串口助手 集成于 STC 下载工具，免安装，支持 ASCII/HEX 传输、数据回显 轻量、操作简单，无需额外安装 51 单片机、STM32、IMX6ULL 基础调试 快速切换波特率，适合初期硬件连通性测试
UartAssist 绿色免安装，单文件，支持 ASCII/HEX 转换、多种校验（CRC8/16/32/LRC/BCC）、定时自动发送、数据保存 / 导出 功能强大，工业级校验支持 复杂协议调试、工业场景稳定性测试 开启自动发送 + CRC 校验，测试长时通信的可靠性；保存接收数据，便于后续错误分析
SecureCRT 支持串口 / SSH/Telnet/FTP，多会话管理，日志记录，ANSI 指令支持 多协议兼容，适合 Linux 开发 嵌入式 Linux 开发、多设备同时调试 开启日志记录，保存全程调试信息；支持 ANSI 清屏 / 光标指令，提升交互体验
Putty 开源、跨平台（Windows/Linux/Mac），轻量，支持串口 / SSH/Telnet 跨平台，无广告，开源免费 跨平台开发、轻量调试 配置固定波特率 / 帧格式，保存会话，避免重复设置

通用使用技巧：

  1. 格式选择：传输字符 / 字符串用 ASCII 格式 ，传输二进制数据（如传感器原始数据、寄存器值）用 HEX 格式，避免 ASCII 格式的乱码；
  2. 波特率 / 帧格式：必须与代码配置一致（如 115200bps、8N1），否则会出现乱码或无数据；
  3. 数据回显：开启回显功能，验证开发板的发送功能是否正常；
  4. 清空缓存：通信异常时，清空接收 / 发送缓存，避免旧数据干扰。

二、IMX6ULL UART 硬件原理图深度剖析

本次开发基于 IMX6ULL_MINI_V2.2 开发板，核心硬件模块为 "USB USART&USB POWER"，需结合原理图细节、串口通信物理层特性、硬件设计原理，深入理解电脑与开发板之间的 UART 通信硬件工作机制。

1. 核心硬件组成及功能拆解

开发板的 UART 通信硬件核心是 "USB→TTL 电平转换" ，实现电脑 USB 接口与 IMX6ULL UART 引脚的协议 / 电平匹配，核心硬件包括 USB 接口、CH340 芯片、DCDC 电源稳压模块，各部分功能、器件参数、引脚连接、信号流向如下：

（1）USB 接口（USB_TTL）
  • 物理接口：Type-C 接口（兼容正反插，比 Micro-USB 更耐用），核心引脚：VBUS（5V 电源）、D+（USB 数据 +）、D-（USB 数据 -）、GND（地）；
  • 双重作用：① 通信物理通道 ：电脑 USB 口的 USB 协议信号，通过 D+/D- 引脚传输至 CH340 芯片；② 辅助电源通道 ：VBUS 引脚输出 5V 直流电源，为 CH340 芯片和电平转换电路供电（严禁作为开发板主电源）；
  • 信号流向（通信）：电脑 USB → Type-C D+/D- → CH340 USB 引脚。
（2）CH340 芯片（U8，核心：USB 转 TTL 串口）
  • 器件型号：CH340N（内置晶振版，无需外部 12MHz 晶振，减少 PCB 面积和硬件复杂度）；
  • 核心功能：USB 协议 ↔ UART 协议 、USB 电平 ↔ TTL 电平 双向转换，是电脑与开发板 UART 通信的 "协议翻译官"；
  • 关键参数：支持 300bps~2Mbps 波特率，兼容 3.3V/5V TTL 电平输出，内置电源管理，工作电流 < 50mA；
  • 驱动要求：Windows 系统需安装 CH340 虚拟串口驱动，Linux 内核 4.0+ 内置驱动（免安装），安装后电脑会识别出一个 "虚拟串口"（如 COM3、COM4）；
  • 核心引脚连接（IMX6ULL_MINI_V2.2）：
    • USB_D+/USB_D-：连接 Type-C 接口的 D+/D-，接收电脑 USB 信号；
    • TXD/RXD：分别连接 IMX6ULL 的 UART1_RX（GPIO1_IO15）/ UART1_TX（GPIO1_IO14） （交叉连接：CH340 TXD → 开发板 RXD，CH340 RXD → 开发板 TXD，核心原则：发送端接接收端）；
    • VCC：接 3.3V（DCDC 稳压模块输出），配置为 3.3V 电平输出（匹配 IMX6ULL 的 3.3V IO 口）；
    • GND：接开发板地，与电脑、IMX6ULL 共地（共地是串口通信的前提，否则会出现数据乱码或无数据）；
  • 信号流向：CH340 USB 引脚 → 内部协议转换 → CH340 TXD/RXD → IMX6ULL UART1_RX/TX。
（3）DCDC 电源稳压模块（U12、U13，核心：稳定供电）
  • 器件型号：AMS1117-3.3（线性稳压芯片，性价比高、稳定性好）；
  • 输入 / 输出：输入 5V（USB VBUS），输出 稳定的 3.3V 直流电压，最大输出电流 800mA；
  • 核心作用：防抖、抗干扰、稳定供电，为 CH340 芯片和 UART 模块提供纯净的 3.3V 电源，滤除 USB 电源中的纹波和噪声（如电脑 USB 口的电源波动、外部电磁干扰）；
  • 外围电路：输入端（5V）、输出端（3.3V）各接 1 个 10μF 电解电容 + 0.1μF 陶瓷电容，进一步滤除电源纹波，保证电压稳定；
  • 重要性：UART 通信对电源稳定性要求极高，若电源存在纹波（≥100mV），会导致传输数据的电平抖动，出现位翻转、误码、丢包等问题，DCDC 模块是保障通信稳定性的关键硬件。

2. 硬件设计注意事项

基于 IMX6ULL 硬件特性和串口通信物理层要求，开发板 UART 硬件设计需注意以下关键事项，避免通信失败、硬件损坏，同时补充 PCB 设计规范，适配工程化开发：

（1）严禁使用 USB 作为开发板主电源供电

USB 接口的 VBUS 引脚仅能为 CH340 芯片提供 3.3V 电源，严禁作为 IMX6ULL 开发板的主电源，原因如下：

  1. 电流限制：电脑 USB 口输出电流有限（通常 500mA~1A），而 IMX6ULL 核心板 + 外设（LED、蜂鸣器、传感器）工作电流约 300mA~500mA，长期使用会导致供电不足；
  2. 电源纹波：USB 电源纹波大（无专业稳压电路），会导致 UART 通信误码、芯片工作不稳定；
  3. 硬件损坏：开发板电流波动大，会反向冲击电脑 USB 端口，导致电脑 USB 口烧毁或开发板芯片复位；
  4. 发热严重：AMS1117 线性稳压芯片转换效率低（≈70%），大电流下损耗功率大，芯片发热严重。正确做法 ：使用专用 12V/2A 电源适配器，通过开发板的 DC 电源接口供电，经开发板内部的 DCDC 模块转换为 5V/3.3V，为整个开发板提供稳定电源。
（2）信号线抗干扰设计

UART 的 TX、RX 信号线为低速模拟信号，易受电磁干扰，PCB 布线和硬件设计需遵循以下抗干扰规范：

  1. 布线长度：TX/RX 信号线应尽量短（建议 < 10cm），减少信号传输中的衰减和干扰；
  2. 布线间距：避免与电源线（5V/12V）、高频信号线（如 SPI、PWM）平行布线，间距≥20mil，减少串扰；
  3. 接地处理：信号线靠近地线（GND）布线，采用 "地线包裹" 方式，增强抗干扰能力；
  4. 硬件滤波：在 CH340 芯片的 TX/RX 引脚附近、IMX6ULL 的 UART 引脚附近，各添加 1 个 0.1μF 陶瓷去耦电容，一端接信号线，一端接地，滤除高频干扰，减少信号失真。
（3）电平严格匹配（避免 IO 口损坏 + 电平转换）

IMX6ULL 的 IO 口为 3.3V 耐压电平，不支持 5V 电平，硬件设计需严格保证电平匹配：

  1. CH340 配置：CH340 芯片的 VCC 引脚必须接 3.3V 电源，配置为 3.3V 电平输出模式，避免 5V 电平接入 IMX6ULL 的 UART 引脚，导致 IO 口烧毁；
  2. 跨电平通信：若需与 5V 电平设备（如 51 单片机）通信，需添加电平转换芯片（如 TXS0108、SN74LVC8T245），实现 3.3V 与 5V 电平的双向转换；
  3. RS232/RS485 通信：若需与 RS232 设备通信，需添加 MAX232/MAX3232 芯片；若需与 RS485 设备通信，需添加 MAX485/MAX3485 芯片，实现 TTL 与对应电平的双向转换。
（4）传输距离严格控制

不同电气标准的传输距离有严格限制，工程设计中需按实际需求选择，避免因距离过长导致通信失败：

  1. TTL 电平：开发板与外设采用 TTL 电平直连时，距离应控制在 10 米内，超过则电压衰减严重，信号失真；
  2. RS232 电平：点对点通信，距离控制在 30 米内，适合电脑与开发板的近距离调试；
  3. RS485 电平：远距离多设备组网，距离可达 1200 米，适合工业现场的传感器、执行器组网，需注意总线匹配和方向控制。
（5）共地与阻抗匹配
  1. 共地：所有通信设备（电脑、开发板、外设）必须共地 （GND 引脚相互连接），否则会出现电平参考点不一致，导致数据解析错误，这是串口通信的前提条件；
  2. RS485 阻抗匹配：RS485 总线长度≥100 米时，必须在总线两端的设备 上，在 A、B 引脚之间接 1 个 120Ω 终端电阻，匹配总线阻抗，减少信号反射，避免信号叠加导致的失真。

三、UART 核心代码编写

IMX6ULL 的 UART 开发为裸机开发 ，无操作系统封装，代码编写需严格参考《IMX6ULL 参考手册.pdf》，结合串口通信的帧格式、波特率要求，直接操作寄存器实现，核心流程为 "时钟初始化→引脚初始化→寄存器配置→收发函数实现" ，每个步骤都需贴合硬件特性，同时增加容错处理、超时机制，提升程序健壮性。

前置准备：头文件与基础函数

复制代码 
#include "imx6ull.h"  // IMX6ULL 寄存器定义头文件

// 微秒级延时函数（基于寄存器循环，适配80MHz时钟）
void delay_us(unsigned int us)
{
    unsigned int i, j;
    for (i = 0; i < us; i++)
        for (j = 0; j < 10; j++);
}

// 毫秒级延时函数
void delay_ms(unsigned int ms)
{
    unsigned int i;
    for (i = 0; i < ms; i++)
        delay_us(1000);
}

1. 时钟初始化

IMX6ULL 的 UART 模块时钟来源于 IPG_CLK （系统外设时钟，默认 80MHz），是 UART 波特率计算的基准时钟（Ref Freq） ，时钟初始化的核心是使能 UART1 时钟 并配置时钟分频比，保证波特率计算精度。

核心代码
复制代码 
// UART1 时钟初始化：使能时钟+配置1分频，UART_CLK=IPG_CLK=80MHz
void uart1_clk_init(void)
{
    // 1. 使能UART1时钟（CCM_CCGR1寄存器：bit26~27 控制UART1时钟门控，0b11=始终使能）
    CCM->CCGR1 |= (3 << 26);
    
    // 2. 配置UART时钟分频比（CCM_CSCDR1寄存器：bit16~17 为UART_CLK分频比，00=1分频）
    CCM->CSCDR1 &= ~(3 << 16);  // 清除原有分频配置，避免默认值干扰
    CCM->CSCDR1 |= (0 << 16);   // 0=1分频，UART_CLK=IPG_CLK=80MHz，无预分频损耗
    
    // 3. 等待时钟稳定（硬件时钟切换需要时间，延时100us）
    delay_us(100);
}
关键说明
  1. 时钟门控：IMX6ULL 的外设时钟默认关闭，需先通过 CCM_CCGR1 寄存器使能 UART1 时钟，否则后续寄存器配置无效；
  2. 分频比选择：1 分频是最常用、最优配置，无预分频损耗，保证波特率计算精度；若需降低功耗，可适当提高分频比（如 2 分频），但需重新计算 UBIR、UBMR 参数以匹配目标波特率；
  3. 时钟稳定：时钟分频配置后，需延时等待时钟稳定，避免因时钟未就绪导致的波特率发生器工作异常。

2. 引脚初始化（IO 口复用与配置）

IMX6ULL 的 IO 口为多功能引脚 （如 GPIO1_IO14 可作为普通 GPIO、UART1_TX、SPI1_SCK 等），需通过 IOMUXC（IO 多路复用控制器） 将指定引脚复用为 UART 功能，并配置引脚的电气属性（驱动能力、上下拉、斜率等），确保信号传输质量。

引脚选择

IMX6ULL_MINI_V2.2 开发板默认将 UART1 的 TX 引脚映射为 GPIO1_IO14 ，RX 引脚映射为 GPIO1_IO15（参考开发板原理图和 IMX6ULL 引脚复用表）。

核心代码
复制代码 
// IOMUXC引脚复用配置封装函数：mux_reg=复用寄存器地址，mux_val=复用模式值
void IOMUXC_SetPinMux(unsigned int mux_reg, unsigned int mux_val)
{
    volatile unsigned int *reg = (volatile unsigned int *)mux_reg;
    *reg &= ~0x1F;  // 清除低5位（MUX_MODE，复用模式位）
    *reg |= mux_val;// 设置目标复用模式
}

// IOMUXC引脚电气配置封装函数：config_reg=配置寄存器地址，config_val=电气配置值
void IOMUXC_SetPinConfig(unsigned int config_reg, unsigned int config_val)
{
    volatile unsigned int *reg = (volatile unsigned int *)config_reg;
    *reg = config_val;
}

// UART1 引脚初始化：GPIO1_IO14=UART1_TX，GPIO1_IO15=UART1_RX
void uart1_pin_init(void)
{
    // 1. TX引脚（GPIO1_IO14）复用为UART1_TX
    IOMUXC_SetPinMux(IOMUXC_GPIO1_IO14_UART1_TX, 0);  // 0=默认复用模式
    // 电气配置：0x10B0（核心配置，保证信号传输质量）
    IOMUXC_SetPinConfig(IOMUXC_GPIO1_IO14_UART1_TX, 0x10B0);
    
    // 2. RX引脚（GPIO1_IO15）复用为UART1_RX
    IOMUXC_SetPinMux(IOMUXC_GPIO1_IO15_UART1_RX, 0);
    IOMUXC_SetPinConfig(IOMUXC_GPIO1_IO15_UART1_RX, 0x10B0);
    
    // 3. 等待引脚配置生效（延时10us）
    delay_us(10);
}
配置参数 0x10B0 逐位详解（核心电气属性）

配置值 0x10B0 是 IMX6ULL 串口引脚的标准电气配置，对应 IOMUXC_SW_PAD_CTL_PAD_xxx 寄存器，共 16 位，每一位的含义和配置原因如下（贴合串口通信需求）：

位段 位宽 数值 寄存器位定义 配置含义 配置原因（串口通信需求）
bit0~3 4 0 SION 关闭引脚输入输出短路，禁止信号自环 避免 TX/RX 信号自环，导致通信错误
bit4~5 2 10 DSE 驱动能力等级 R0（最大驱动电流，≈20mA） 保证信号线的驱动能力，减少远距离传输的信号衰减
bit6 1 0 SRE 普通斜率（信号边沿变化速度慢） 降低信号边沿的电磁干扰，减少串扰
bit7 1 0 ODE 关闭开漏输出，使用推挽输出模式 推挽输出驱动能力更强，适合串口信号传输
bit8 1 1 PKE 开启上下拉功能 保证引脚空闲时的电平稳定，避免浮空导致的随机电平
bit9 1 1 PUE 选择上拉模式（而非下拉） 串口空闲位为高电平，上拉保证空闲时稳定为高电平
bit10~12 3 000 PUS 弱上拉（上拉电阻≈100kΩ） 弱上拉既能保证电平稳定，又不会影响正常的信号传输
bit13 1 1 HYS 开启迟滞功能（施密特触发器） 增强引脚的抗干扰能力，过滤微弱的电平抖动
bit14~15 2 00 保留位 无定义，默认置 0 遵循芯片手册要求

3. 寄存器配置（UART 功能核心）

IMX6ULL 的 UART 模块包含控制寄存器、状态寄存器、数据寄存器、波特率配置寄存器 等，需按固定顺序 配置（软件复位→帧格式配置→波特率配置→使能模块），每个寄存器的配置都需贴合串口通信的 8N1 帧格式（8 数据位 + 1 停止位 + 无校验），同时增加容错判断（如复位完成检查），避免配置失效。

核心寄存器功能预览
寄存器名称 地址标识 核心功能
UCR1 UARTx_UCR1 主控制寄存器，开启 / 关闭 UART 模块，禁用 / 使能中断等
UCR2 UARTx_UCR2 帧格式核心配置寄存器，配置数据位、停止位、奇偶校验、收发使能、软件复位等
UCR3 UARTx_UCR3 扩展控制寄存器，IMX6ULL 强制要求配置 RXDMUXSEL=1（多路复用模式）
UFCR UARTx_UFCR FIFO 控制寄存器，配置参考时钟分频比（RFDIV），与波特率计算相关
USR2 UARTx_USR2 状态寄存器，只读，判断收发状态（RDR = 接收就绪，TXDC = 发送完成）
URXD UARTx_URXD 接收数据寄存器，只读，存储接收到的 8 位数据
UTXD UARTx_UTXD 发送数据寄存器，只写，写入待发送的 8 位数据，硬件自动添加帧格式
UBIR/UBMR UARTx_UBIR/UBMR 波特率配置寄存器，分别为增量值、调制值，配合计算波特率
核心代码
复制代码 
// UART1 寄存器配置：按8N1格式配置+115200bps波特率+使能收发
void uart1_reg_init(void)
{
    // 1. 软件复位UART1（UCR2->SRST位，bit0=1）：复位所有寄存器为默认值
    UART1->UCR2 |= (1 << 0);
    // 等待复位完成（SRST位会自动清0，需检查，避免未复位完成就配置）
    while ((UART1->UCR2 & (1 << 0)) != 0);
    // 延时50ns，确保复位彻底（80MHz时钟下，1个时钟周期=12.5ns，4个周期=50ns）
    delay_us(1);
    
    // 2. 配置UCR2寄存器：8N1帧格式核心配置（最关键的寄存器）
    UART1->UCR2 = 0;  // 先清零，避免默认值干扰
    UART1->UCR2 |= (1 << 5);   // WS=1（bit5）：8位数据位（0=7位，1=8位）
    UART1->UCR2 &= ~(1 << 6);  // STPB=0（bit6）：1个停止位（0=1位，1=2位）
    UART1->UCR2 &= ~(1 << 8);  // PREN=0（bit8）：禁用奇偶校验（0=禁用，1=使能）
    UART1->UCR2 |= (1 << 1);   // RXEN=1（bit1）：使能接收器
    UART1->UCR2 |= (1 << 2);   // TXEN=1（bit2）：使能发送器
    UART1->UCR2 |= (1 << 14);  // IRTS=1（bit14）：忽略RTS流控（无流控场景必设）
    UART1->UCR2 &= ~(1 << 15); // ESCEN=0（bit15）：禁用转义序列（普通通信无需）
    
    // 3. 配置UCR3寄存器：IMX6ULL强制要求（硬件设计决定）
    UART1->UCR3 = 0;
    UART1->UCR3 |= (1 << 2);   // RXDMUXSEL=1（bit2）：多路复用模式，不设置则无法接收数据
    
    // 4. 配置UFCR寄存器：参考时钟分频比（RFDIV），与波特率计算相关
    UART1->UFCR = 0;
    UART1->UFCR &= ~(7 << 7);  // 清除bit7~9（RFDIV位）
    UART1->UFCR |= (0 << 7);   // RFDIV=000：1分频，参考时钟=UART_CLK=80MHz
    
    // 5. 配置波特率：115200bps，核心公式+精准计算UBIR/UBMR
    // 波特率公式：BaudRate = RefFreq / (16 * ((UBMR + 1) / (UBIR + 1)))
    // 已知：RefFreq=80MHz，BaudRate=115200bps，推导得：(UBMR+1)/(UBIR+1)≈43.4028
    // 选择UBIR=26（UBIR+1=27），则UBMR+1=43.4028*27≈1171.87，取整UBMR=1171
    // 实际波特率=80000000/(16*(1172/27))≈115104bps，误差≈0.08% < ±6%，符合要求
    UART1->UBMR = 1171;  // 调制值MOD=1171
    UART1->UBIR = 26;    // 增量值INC=26
    
    // 6. 开启UART1模块（UCR1->UARTEN位，bit0=1）：最后开启，避免配置过程中误工作
    UART1->UCR1 = 0;
    UART1->UCR1 |= (1 << 0);
    
    // 7. 等待模块就绪（延时100us，确保波特率发生器、收发电路稳定）
    delay_us(100);
}
关键配置细节
  1. 软件复位：必须先复位 UART 模块，清除寄存器默认值，否则后续配置会被默认值干扰，复位后需检查 SRST 位是否清 0，确保复位完成；
  2. UCR2 配置：帧格式的核心，需严格按 8N1 配置，RXEN/TXEN 必须同时使能，否则无法收发数据；
  3. UCR3->RXDMUXSEL：IMX6ULL 硬件强制要求设为 1，这是开发最易踩的坑！不设置则 UART 会将内部测试信号作为接收源，无法接收外部数据，通信完全失败；
  4. 波特率配置：UBIR/UBMR 的值需精准计算，保证波特率误差 < ±6%，上述配置误差仅 0.08%，通信稳定性极高；
  5. UARTEN 开启：必须最后配置，若提前开启，UART 模块会在配置过程中误工作，导致数据接收 / 发送异常。

4. 数据收发函数实现（基于帧格式，稳定可靠 + 超时处理 + 空指针保护）

收发函数的核心是 "先判断硬件状态，再操作数据寄存器" ，贴合串口通信的帧接收 / 发送逻辑，避免因硬件未就绪（如发送缓冲区未空、接收未就绪）导致的数据丢失或误发。同时增加超时处理 （避免死等）、空指针保护（避免程序崩溃），提升程序健壮性。

（1）发送函数：putc（单个字符）+ puts（字符串）

核心逻辑 ：发送前先判断 USR2->TXDC 位（bit3）是否为 1（上一帧数据发送完成，发送缓冲区空），若为 0 则等待，直到就绪或超时；写入数据到 UTXD 寄存器后，硬件会自动添加起始位、停止位，按 LSB 优先顺序传输。

复制代码 
#define UART_TIMEOUT_US 100000  // 超时时间：100ms，避免死等

// 发送单个字符：d=待发送字符，返回0=成功，-1=超时
int putc(unsigned char d)
{
    unsigned int timeout = UART_TIMEOUT_US;
    
    // 等待发送完成（USR2->TXDC=1），超时则返回错误
    while (((UART1->USR2 & (1 << 3)) == 0) && (timeout-- > 0))
    {
        delay_us(1);
    }
    
    // 超时判断
    if (timeout == 0)
    {
        return -1;  // 发送超时
    }
    
    // 写入待发送字符到UTXD寄存器，硬件自动添加帧格式（起始位+停止位）
    UART1->UTXD = d;
    return 0;       // 发送成功
}

// 发送字符串：pStr=待发送字符串，返回0=成功，-1=超时，-2=空指针
int puts(const char *pStr)
{
    // 空指针保护：避免传入NULL导致程序崩溃
    if (pStr == NULL)
    {
        return -2;
    }
    
    // 遍历字符串，逐个发送字符，直到结束符'\0'
    while (*pStr != '\0')
    {
        if (putc(*pStr++) != 0)
        {
            return -1;  // 单个字符发送超时，整体返回超时
        }
    }
    
    // 发送换行符：\r\n（回车+换行），兼容Windows/Linux串口工具
    putc('\r');
    putc('\n');
    
    return 0;  // 发送成功
}
（2）接收函数：getc（单个字符，阻塞式）

核心逻辑：接收前先判断 USR2->RDR 位（bit0）是否为 1（接收就绪，完整字符帧已接收并存储到 URXD 寄存器），若为 0 则等待，直到就绪或超时；读取 URXD 寄存器的低 8 位数据（有效数据），同时检查接收错误标志，清除错误。

复制代码 
// 接收单个字符：ch=存储接收字符的指针，返回0=成功，-1=超时，-2=空指针，-3=接收错误
int getc(unsigned char *ch)
{
    unsigned int timeout = UART_TIMEOUT_US;
    
    // 空指针保护
    if (ch == NULL)
    {
        return -2;
    }
    
    // 等待接收就绪（USR2->RDR=1），超时则返回错误
    while (((UART1->USR2 & (1 << 0)) == 0) && (timeout-- > 0))
    {
        delay_us(1);
    }
    
    // 超时判断
    if (timeout == 0)
    {
        return -1;  // 接收超时
    }
    
    // 检查接收错误标志（USR1寄存器：PE=奇偶校验错误，FE=帧错误，BRK=中断错误）
    if (UART1->USR1 & ((1 << 0) | (1 << 1) | (1 << 2)))
    {
        UART1->USR1 |= ((1 << 0) | (1 << 1) | (1 << 2));  // 清除错误标志（写1清0）
        return -3;  // 接收错误
    }
    
    // 读取接收数据：仅保留低8位，避免高位无效数据干扰
    *ch = (unsigned char)(UART1->URXD & 0XFF);
    
    return 0;  // 接收成功
}
（3）UART1 初始化总函数

将时钟初始化、引脚初始化、寄存器初始化封装为一个总函数，方便主函数调用，同时增加初始化成功验证。

复制代码 
// UART1 初始化总函数：整合所有初始化步骤，返回0=成功，-1=失败
int uart1_init(void)
{
    // 按顺序初始化：时钟→引脚→寄存器
    uart1_clk_init();
    uart1_pin_init();
    uart1_reg_init();
    
    // 初始化成功验证：发送一个测试字节0x55（二进制10101010）
    if (putc(0x55) != 0)
    {
        return -1;  // 发送失败，初始化失败
    }
    
    return 0;  // 初始化成功
}

四、stdio 库移植

原生 UART 仅支持单个字符 / 字符串的收发（putc/puts/getc），无法实现格式化输出（如打印数字、寄存器值、浮点型数据），移植 C 标准库 stdio 后，可直接使用 printf（格式化输出）、scanf（格式化输入）等标准函数，大幅简化调试和数据处理流程，提升开发效率。

1. 移植核心原理（底层接口映射 + 标准库依赖）

C 标准库的 stdio 库中，printf/scanf 等标准 IO 函数并非直接操作硬件，而是通过底层的系统调用接口 实现，移植的核心是将 stdio 库的底层接口与我们实现的 UART 收发函数绑定，让标准函数通过 UART 完成数据的输入输出。

核心底层接口
  • _write 函数：printf 等输出函数的底层依赖，负责将输出数据写入硬件，需重写该函数，让其调用我们的 UART 发送函数（putc）；
  • _read 函数：scanf 等输入函数的底层依赖，负责从硬件读取输入数据，需重写该函数，让其调用我们的 UART 接收函数（getc）；
  • raise 函数：stdio 库的依赖函数，无实际功能，空实现即可，否则编译时会报 "undefined reference to 'raise'" 错误。
移植本质

重写 _write/_read 函数，实现标准库接口 → 自定义 UART 硬件接口的映射，让 stdio 库的所有 IO 函数都通过 UART 完成数据传输。

2. 移植完整步骤（细节避坑 + 完整代码 + Makefile 配置）

移植分为补充依赖函数 、修改汇编文件扩展名 、配置 Makefile 三个步骤，每个步骤都是必做项，缺一不可，否则会导致编译失败或 printf 无法使用。

步骤 1：补充必要函数

在 uart.c 文件中添加以下函数，实现底层接口映射和依赖函数补充，代码含详细注释：

复制代码 
#include <stdlib.h>   // raise函数依赖
#include <stdio.h>    // stdio库头文件
#include <unistd.h>   // _write/_read函数依赖

// 满足stdio库依赖：空实现即可，无实际功能
void raise(int n)
{
    (void)n;  // 强制使用参数，避免编译器未使用参数警告
}

// 重写_write函数：printf底层调用，将数据通过UART发送
// fd：文件描述符，串口无文件描述符，忽略；ptr：待发送数据指针；len：待发送数据长度
// 返回值：成功发送的字节数，-1=失败
int _write(int fd, char *ptr, int len)
{
    int i;
    (void)fd;  // 忽略文件描述符，避免编译器警告
    
    // 逐个发送字节，直到发送完成或超时
    for (i = 0; i < len; i++)
    {
        if (putc(ptr[i]) != 0)
        {
            return -1;  // 单个字节发送超时，整体返回失败
        }
    }
    
    return len;  // 返回成功发送的字节数
}

// 重写_read函数：scanf底层调用，从UART读取输入数据
// fd：文件描述符，忽略；ptr：存储接收数据的指针；len：最大接收长度
// 返回值：成功接收的字节数，-1=失败
int _read(int fd, char *ptr, int len)
{
    int i;
    unsigned char ch;
    (void)fd;  // 忽略文件描述符
    
    // 逐个接收字节，直到接收完成、超时或遇到换行符
    for (i = 0; i < len; i++)
    {
        if (getc(&ch) != 0)
        {
            return -1;  // 接收超时/错误，返回失败
        }
        
        ptr[i] = ch;
        
        // 遇到回车(\r)或换行(\n)，结束输入（兼容Windows/Linux串口工具）
        if (ch == '\r' || ch == '\n')
        {
            ptr[i] = '\0';  // 添加字符串结束符
            break;
        }
    }
    
    return i;  // 返回成功接收的字节数
}

步骤 2：修改汇编启动文件扩展名

裸机开发中，汇编启动文件默认后缀为.S（大写），编译器对大小写敏感，需将其改为小写.s，否则会出现 "文件未找到" 的编译错误。

  • 原文件：start.S
  • 修改后：start.s
  • 作用：确保 Makefile 能正确识别并编译汇编启动文件，完成芯片的底层初始化（栈配置、中断向量表、跳转到 main 函数）。

步骤 3：Makefile 完整配置（关键编译选项 + 链接脚本）

Makefile 是裸机开发的编译核心，需配置交叉编译工具链、编译选项、链接脚本、目标文件清理 等，以下是适配 IMX6ULL UART 开发的完整可直接使用的 Makefile，包含 stdio 库移植的关键编译选项：

复制代码 
# 1. 配置交叉编译工具链（IMX6ULL 为 ARM 架构，使用 arm-linux-gnueabihf-）
CROSS_COMPILE = arm-linux-gnueabihf-
CC = $(CROSS_COMPILE)gcc
LD = $(CROSS_COMPILE)ld
OBJCOPY = $(CROSS_COMPILE)objcopy
OBJDUMP = $(CROSS_COMPILE)objdump

# 2. 目标文件命名（最终生成可烧写的 bin 文件）
TARGET = uart_imx6ull
# 3. 源文件列表（所有.c和.s文件，新增文件直接添加）
SRCS = start.s main.c uart.c
# 4. 目标文件列表（自动将.c/.s转为.o）
OBJS = $(SRCS:.c=.o)
OBJS = $(OBJS:.s=.o)

# 5. 核心编译选项（关键：-nostdlib -fno-builtin 关闭标准库，-g 保留调试信息）
CFLAGS = -Wall -g -c -O2 -nostdlib -fno-builtin -march=armv7-a -mtune=cortex-a7
# -march=armv7-a：适配 IMX6ULL 的 ARMv7-A 架构
# -mtune=cortex-a7：优化 cortex-A7 内核编译
# -nostdlib -fno-builtin：关闭系统标准库，裸机开发必备

# 6. 链接选项（指定链接脚本，定义程序运行地址）
LDFLAGS = -T imx6ull.lds -g
# imx6ull.lds：链接脚本，指定代码段、数据段、栈的运行地址（IMX6ULL 运行地址为 0x87800000）

# 7. 默认目标：生成可烧写的 bin 文件
all: $(TARGET).bin

# 8. 编译：.c文件→.o文件
%.o: %.c
	$(CC) $(CFLAGS) -o $@ $<

# 9. 编译：.s文件→.o文件
%.o: %.s
	$(CC) $(CFLAGS) -o $@ $<

# 10. 链接：所有.o文件→elf文件
$(TARGET).elf: $(OBJS)
	$(LD) $(LDFLAGS) -o $@ $^

# 11. 转换：elf文件→bin文件（烧写到开发板的最终文件）
$(TARGET).bin: $(TARGET).elf
	$(OBJCOPY) -O binary $< $@

# 12. 反汇编：elf文件→反汇编文件（调试用，查看汇编代码）
$(TARGET).dis: $(TARGET).elf
	$(OBJDUMP) -D $< > $@

# 13. 清理目标：删除所有编译生成的文件
clean:
	rm -rf $(OBJS) $(TARGET).elf $(TARGET).bin $(TARGET).dis
配套链接脚本imx6ull.lds

链接脚本决定程序在内存中的运行位置，IMX6ULL 推荐运行地址为0x87800000，以下是最简可用的链接脚本：

复制代码 
SECTIONS {
    . = 0x87800000;  /* 程序运行的起始地址 */
    .text : {        /* 代码段：存放汇编、C 编译后的代码 */
        start.o
        *(.text)
    }
    .rodata : {      /* 只读数据段：存放常量、字符串 */
        *(.rodata)
    }
    .data : {        /* 数据段：存放初始化的全局变量 */
        *(.data)
    }
    .bss : {         /* 未初始化数据段：存放未初始化的全局变量，由系统清零 */
        __bss_start = .;
        *(.bss)
        __bss_end = .;
    }
    .stack 0x87804000 : {  /* 栈段：分配 16KB 栈空间，地址 0x87804000 */
        *(.stack)
    }
}

五、主函数测试代码

编写main.c，实现 UART 初始化、printf格式化输出、scanf格式化输入，可直接编译烧写，验证串口通信和 stdio 库移植效果：

复制代码 
#include "imx6ull.h"
#include <stdio.h>  // 引入标准库，使用printf/scanf

// 延时函数声明
void delay_ms(unsigned int ms);
// UART 初始化函数声明
int uart1_init(void);

int main(void)
{
    char input_buf[32] = {0};  // 定义输入缓冲区
    int num = 0;               // 测试整型变量

    // 1. 初始化 UART1（115200bps、8N1、无流控）
    if (uart1_init() != 0)
    {
        while (1);  // 初始化失败则死循环
    }

    // 2. printf 格式化输出测试（串口打印）
    printf("=====================\r\n");
    printf("IMX6ULL UART 测试程序\r\n");
    printf("波特率：115200 8N1\r\n");
    printf("stdio 库移植成功！\r\n");
    printf("=====================\r\n");

    // 3. 循环：接收用户输入并回显
    while (1)
    {
        printf("请输入一个字符串和整数（用空格分隔）：");
        // scanf 接收串口输入（电脑串口助手发送数据）
        scanf("%s %d", input_buf, &num);
        // printf 回显输入的内容
        printf("你输入的字符串：%s\r\n", input_buf);
        printf("你输入的整数：%d，整数+10：%d\r\n\r\n", num, num+10);
        
        delay_ms(500);  // 轻微延时，避免打印刷屏
    }

    return 0;
}

// 毫秒级延时函数（简单实现，适配 80MHz 主频）
void delay_ms(unsigned int ms)
{
    unsigned int i, j;
    for (i = 0; i < ms; i++)
        for (j = 0; j < 0x1000; j++);
}

六、头文件imx6ull.h（关键寄存器定义，极简版）

裸机开发需直接操作寄存器，以下是imx6ull.h的关键寄存器定义（仅包含 UART、CCM、IOMUXC 相关），保证代码编译通过：

复制代码 
#ifndef __IMX6ULL_H
#define __IMX6ULL_H

// 定义寄存器基地址
#define CCM_BASE            0x020C4000
#define IOMUXC_BASE         0x020E0000
#define UART1_BASE          0x02020000

// 定义寄存器类型：volatile 防止编译器优化，保证直接操作内存
typedef volatile unsigned int uint32_t;

// 1. CCM 时钟寄存器（仅 UART1 相关）
typedef struct {
    uint32_t CCGR0;
    uint32_t CCGR1;  // UART1 时钟由 CCGR1 的 bit26~27 控制
    uint32_t CCGR2;
    uint32_t CCGR3;
    uint32_t CCGR4;
    uint32_t CCGR5;
    uint32_t CCGR6;
    uint32_t CSCDR1; // UART 时钟分频寄存器
} CCM_Type;
#define CCM ((CCM_Type *)CCM_BASE)

// 2. IOMUXC 引脚复用寄存器（仅 UART1 TX/RX 相关）
#define IOMUXC_GPIO1_IO14_UART1_TX  0x020E0068
#define IOMUXC_GPIO1_IO15_UART1_RX  0x020E006C
#define IOMUXC_GPIO1_IO14_UART1_TX_CONFIG  0x020E02F4
#define IOMUXC_GPIO1_IO15_UART1_RX_CONFIG  0x020E02F8

// 3. UART1 寄存器结构体
typedef struct {
    uint32_t UCR1;   // 主控制寄存器
    uint32_t UCR2;   // 帧格式/收发使能寄存器
    uint32_t UCR3;   // 扩展控制寄存器
    uint32_t UCR4;
    uint32_t UFCR;   // FIFO/时钟分频寄存器
    uint32_t USR1;   // 状态寄存器1（错误标志）
    uint32_t USR2;   // 状态寄存器2（收发就绪）
    uint32_t UESC;
    uint32_t ULTCR;
    uint32_t UTIMER;
    uint32_t UBIR;   // 波特率增量寄存器
    uint32_t UBMR;   // 波特率调制寄存器
    uint32_t UBRC;
    uint32_t UTS;
    uint32_t UTXD;   // 发送数据寄存器
    uint32_t URXD;   // 接收数据寄存器
} UART_Type;
#define UART1 ((UART_Type *)UART1_BASE)

// 引脚配置函数声明
void IOMUXC_SetPinMux(unsigned int mux_reg, unsigned int mux_val);
void IOMUXC_SetPinConfig(unsigned int config_reg, unsigned int config_val);

#endif // __IMX6ULL_H

七、编译与烧写步骤

1. 文件目录结构

复制代码 
uart_imx6ull/          # 项目根目录
├── start.s            # 汇编启动文件（小写.s）
├── imx6ull.lds        # 链接脚本
├── Makefile           # 编译脚本
├── imx6ull.h          # 寄存器头文件
├── uart.c             # UART 核心代码+stdio 库移植
└── main.c             # 测试主函数

2. 编译操作（Linux 环境，或 Windows 下的 MinGW/Cygwin）

  1. 进入项目根目录：cd uart_imx6ull
  2. 执行编译：make
    • 编译成功会生成：uart_imx6ull.bin（可烧写文件）、uart_imx6ull.elf（链接文件）、uart_imx6ull.dis（反汇编文件）
  3. 清理编译文件：make clean（需要重新编译时执行）

3. 烧写步骤（使用 IMX6ULL 专用烧写工具 MFGTool）

  1. 下载 MFGTool 工具，打开并选择 IMX6ULL 对应的烧写配置；
  2. 将开发板拨到USB 烧写模式，连接电脑 USB 和电源；
  3. 选择编译生成的uart_imx6ull.bin，点击Start开始烧写；
  4. 烧写完成后，将开发板拨到EMMC/NAND 启动模式，重启开发板。

八、串口调试验证

1. 串口助手配置

  • 串口号：电脑设备管理器中查看（CH340 驱动安装后显示，如 COM3/COM4）；
  • 波特率：115200；
  • 数据位：8；
  • 停止位：1；
  • 校验位：无；
  • 流控：无；
  • 换行符：CR+LF（回车 + 换行）。

2. 验证效果

开发板上电后，串口助手会立即打印以下内容：

复制代码 
=====================
IMX6ULL UART 测试程序
波特率：115200 8N1
stdio 库移植成功！
=====================
请输入一个字符串和整数（用空格分隔）：

在串口助手的发送框输入内容（如test 123），点击发送，串口助手会回显：

复制代码 
你输入的字符串：test
你输入的整数：123，整数+10：133

说明 UART 收发、printf/scanf 均正常工作，stdio 库移植成功！

九、常见问题排查

1. 编译错误：undefined reference to `main'

  • 原因：汇编启动文件未跳转到main函数，或源文件未添加main.c；
  • 解决：检查start.s中是否有bl main指令，Makefile 的SRCS是否包含main.c。

2. 串口无任何输出

  • 原因 1：UART 初始化错误（如UCR3->RXDMUXSEL未置 1）；
  • 解决 1：检查uart1_reg_init函数，确保UART1->UCR3 |= (1 << 2)；
  • 原因 2：波特率不匹配、串口号选错；
  • 解决 2：确认串口助手波特率为 115200，重新查看电脑设备管理器的串口号；
  • 原因 3：开发板启动模式错误；
  • 解决 3：确认开发板为EMMC/NAND 启动模式，而非 USB 烧写模式。

3. 串口打印乱码

  • 原因 1：波特率计算错误（UBIR/UBMR 值不对）；
  • 解决 1：严格使用代码中的UBMR=1171、UBIR=26（80MHz 主频对应 115200bps）；
  • 原因 2：串口助手换行符未设为CR+LF；
  • 解决 2：在串口助手设置中勾选CR+LF。

4. scanf 无法接收输入

  • 原因：_read函数未正确处理回车 / 换行符，或输入缓冲区未初始化；
  • 解决：检查uart.c中的_read函数，确保有ch == '\r' || ch == '\n'的判断，主函数中输入缓冲区初始化为 0。

5. 编译错误：undefined reference to `raise'

  • 原因：未实现raise函数，stdio 库依赖该函数；
  • 解决：在uart.c中添加空实现的raise函数（代码中已包含，直接复制即可）。

十、进阶扩展

  1. 非阻塞式收发 ：修改getc/putc，去掉死循环等待，改为轮询状态位，适合实时系统；
  2. 中断式 UART：配置 UART 收发中断，实现中断驱动的串口通信，减少 CPU 占用；
  3. 波特率可配置：封装波特率计算函数，支持 9600/19200/38400/115200 等多种波特率；
  4. 串口数据解析 ：实现简单的串口指令解析（如发送LED_ON点亮 LED，LED_OFF熄灭 LED）；
  5. 多串口通信：扩展 UART2/UART3，实现多设备的串口通信。

十一、核心知识点总结

  1. UART 本质是异步串行通信 ，无需时钟线，通过波特率同步，帧格式为起始位+数据位+校验位+停止位；
  2. IMX6ULL UART 关键坑：UCR3->RXDMUXSEL 必须置 1，否则无法接收外部数据；
  3. stdio 库移植核心：重写**_write/_read**函数，将标准 IO 映射到 UART 硬件收发；
  4. 裸机开发编译关键：使用交叉编译工具链 ，关闭标准库（-nostdlib -fno-builtin），指定运行地址；
  5. 串口通信必备条件：波特率、数据位、停止位、校验位四者一致，否则通信失败 / 乱码。
（1）什么是单工、半双工、全双工通信？请各举一个实际应用场景。
  • 单工通信：数据只能沿一个固定方向传输，发送端与接收端角色固定，无法反向交互。应用场景：红外遥控（遥控器→电视）、广播电台（电台→收音机）、打印机（主机→打印机）。
  • 半双工通信：数据可双向传输，但同一时刻只能单向进行，需切换传输方向。应用场景：对讲机（按住说话、松开接收）、RS485 无流控组网（多个传感器共享总线）。
  • 全双工通信：数据可同时在两个方向传输，收发独立工作。应用场景：UART 串口调试（开发板与电脑）、手机通话、RS232 点对点通信（收、发、地三线）。
（2）串行通信和并行通信的核心区别是什么？为何嵌入式外设通信多采用串行通信？

核心区别：① 传输方式：串行按位依次传输（1~2 根数据线），并行按字节 / 字同时传输（需对应数量数据线 + 控制线）；② 硬件复杂度：串行布线简单、占用 IO 少，并行布线复杂、IO 占用多；③ 抗干扰能力：串行抗干扰强（信号路径短），并行易串扰（多线并行）；④ 传输距离：串行支持远距离（如 RS485 达 1200 米），并行仅适用于近距离（<1 米）。

嵌入式外设多采用串行通信的原因：① 嵌入式系统 IO 资源有限，串行通信仅需少量 IO 即可实现；② 外设多为分布式部署（如传感器），串行抗干扰强、传输距离远的特性更适配；③ 硬件成本低（少信号线、少接口芯片），符合嵌入式低成本设计需求；④ 主流外设（I2C 传感器、SPI flash、RS485 模块）均支持串行通信，兼容性强。

（3）异步通信无需时钟信号，如何保证收发双方的数据同步？波特率误差过大可能导致什么问题？

同步机制：通过 "约定通信参数 + 起始位 / 停止位同步" 实现：① 约定波特率，确保收发时钟频率一致；② 起始位（低电平）触发接收端采样；③ 接收端在每个比特中间时刻采样，避免边沿不稳定区域；④ 停止位（高电平）标识字符结束，为下一字节做准备。

波特率误差过大的后果：允许误差通常为 ±6%，若超过则会导致接收端采样错误：① 数据解析乱码；② 停止位识别失败，数据错位丢失；③ 通信完全中断。

（4）串口通信属于哪一类通信（结合异步 / 同步、串行 / 并行、单工 / 半双工 / 全双工回答）？

串口通信（以 UART 为例）属于异步、串行、全双工通信：

  • 异步：无需时钟信号，通过波特率、起始位 / 停止位同步；
  • 串行：数据按位依次传输，核心依赖 TX、RX 两根信号线；
  • 全双工：TX 和 RX 独立工作，收发可同时进行。
（5）串口通信的电气表达有哪些？TTL、RS232、RS485 的适用场景分别是什么？

电气表达：TTL、RS232、RS485 三种标准。

适用场景：① TTL 电平（0V=0，3.3V/5V=1）：板内或短距离通信（<10~20 米），如开发板内 CH340 与 IMX6ULL 通信；② RS232 电平（-3~-15V=1，+3~+15V=0）：中短距离点对点全双工通信（<20~30 米），如电脑与开发板串口调试；③ RS485 电平（差分传输）：远距离多设备组网（<1200 米），如工业传感器组网、楼宇自控系统。

（6）为什么 IMX6ULL 的 UART 控制寄存器 3（UCR3）的 RXDMUXSEL 位必须设为 1？不设置会有什么后果？

设置原因：IMX6ULL 的 UART 模块硬件设计为多路复用（MUXED）模式，RXDMUXSEL 位（bit2）用于选择接收数据路径：设为 1 时，接收数据从 UART 的 RX 引脚输入，符合正常通信逻辑；该位是硬件强制要求，默认值为 0，需软件主动设 1。

不设置的后果：RXDMUXSEL=0 时，UART 会将内部测试信号或其他引脚信号作为接收源，导致无法接收外部 UART 数据，或读取到随机无效数据，通信异常。

（7）波特率计算中，UBIR 和 UBMR 的作用是什么？如何选择这两个参数以减小波特率误差？

作用：UBIR（增量值）和 UBMR（调制值）用于精确配置波特率，公式：BaudRate=RefFreq/(16×((UBMR+1)/(UBIR+1)))。

减小误差的方法：① 固定参考时钟和目标波特率，推导 (UBMR+1)/(UBIR+1) 的理论值；② 选择 UBIR 值（0~65535），使 UBMR 也在 0~65535 范围内；③ 优先选择 UBIR+1 为理论值的分母因子，使 UBMR+1 接近整数；④ 遍历参数组合，选择误差最小的配置（如 80MHz 时钟、115200bps 时，UBMR=1171、UBIR=26，误差 < 0.1%）。

（8）大小端模式对嵌入式通信有什么影响？如何实现小端模式设备与大端模式设备的数据交互？

影响：多字节数据（如 int、float）的存储顺序不同，若收发设备大小端不一致，会导致数据解析错误（如小端发送 0x12345678，大端接收后解析为 0x78563412）。

交互方法 ：以网络字节序（大端）为中间标准：① 发送端：本地字节序→网络字节序（16 位用htons，32 位用htonl）；② 接收端：网络字节序→本地字节序（16 位用ntohs，32 位用ntohl）；③ 无库函数时，通过指针 / 联合体拆分字节，按大端顺序重组（如小端转大端：(data&0xFF)<<24∣(data&0xFF00)<<8∣(data&0xFF0000)>>8∣(data&0xFF000000)>>24）。

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