IMX6ULL裸机串口通信

一、通信基础概念

在嵌入式系统中，通信的本质是主机之间的数据交互。根据数据传输方式的不同，可从多个维度进行分类：

1. 异步与同步

   异步通信以字符为单位传输，依赖起始位和停止位进行帧同步，无需共享时钟信号；同步通信则以数据块为单位，通过时钟线实现收发双方的严格同步。

2. 串行与并行

   串行通信逐位传输数据，占用引脚少，适合长距离通信；并行通信多bit同时传输，速度高但布线复杂，适用于短距离高速总线。

3. 单工、半双工与全双工

   • 单工：数据只能单向传输，如广播。

   • 半双工：允许双向传输，但同一时刻只能一个方向，如对讲机。

   • 全双工：可同时收发，如电话通信。

4. 电气特性

   TTL电平（3.3V/5V）常用于板内通信；RS-232采用负逻辑（±12V），抗干扰能力较弱；RS-485利用差分信号，适合远距离、多节点场景。

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二、硬件原理图分析

参考《IMX6ULL_MINI_V2.2(Mini底板原理图).pdf》，UART模块的关键硬件设计如下：

1. USB转串口（U8 CH340）

   CH340芯片实现USB到TTL串口的转换，使得开发板可通过USB与主机进行串口通信，便于调试与数据交互。

2. 电源模块（U12、U13）

   提供DCDC稳压功能，并引入防抖与抗干扰设计。需注意，不建议通过USB接口直接为整板供电，以免电流不足导致芯片发热或工作异常。

3. 引脚连接

   UART1的TX与RX引脚分别对应IMX6ULL的IOMUX复用功能，底板中已通过CH340连接至USB接口，无需额外接线即可使用。

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三、UART驱动程序设计

UART驱动开发围绕时钟、引脚、寄存器三部分展开，所有配置均基于《IMX6ULL参考手册》。

1. 时钟初始化

UART模块参考时钟为80MHz，通过**UARTx_UFCR[RFDIV]**设置预分频为1分频，保证波特率计算的基准频率稳定。

2. 引脚复用与电气属性

通过IOMUXC模块配置UART1的TX和RX引脚：

IOMUXC_SetPinMux(IOMUXC_UART1_TX_DATA_UART1_TX, 0);
IOMUXC_SetPinConfig(IOMUXC_UART1_TX_DATA_UART1_TX, 0x10B0);
IOMUXC_SetPinMux(IOMUXC_UART1_RX_DATA_UART1_RX, 0);
IOMUXC_SetPinConfig(IOMUXC_UART1_RX_DATA_UART1_RX, 0x10B0);

其中0x10B0配置了驱动能力、压摆率与上拉电阻，确保信号完整性。

3. 核心寄存器配置

寄存器	作用	关键位
UCR1	模块总使能	UARTEN
UCR2	收发控制、数据格式、软件复位	TXEN, RXEN, WS, STPB, PREN, IRTS
UCR3	多路复用模式选择	RXDMUXSEL 置1
UFCR	参考时钟分频	RFDIV
USR2	状态查询	TXDC（发送完成），RDR（接收就绪）
UBIR / UBMR	波特率配置	公式：BaudRate = RefFreq / (16 × (UBMR+1)/(UBIR+1))

4. 波特率计算实例

若需115200波特率，取UBIR=31，UBMR=173，代入公式：

text

115200 = 80MHz / (16 × (173+1)/(31+1))

可通过调整UBIR与UBMR的比例实现精确波特率。

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四、基础输入输出函数实现

1. 字符发送（putc）

void putc(unsigned char d)
{
    while ((UART1->USR2 & (1 << 3)) == 0); // 等待发送完成
    UART1->UTXD = d;
}

2. 字符串发送（puts）

void puts(const char *pStr)
{
    while (*pStr) putc(*pStr++);
    putc('\n');
}

3. 字符接收（getc）

unsigned char getc(void)
{
    while ((UART1->USR2 & (1 << 0)) == 0); // 等待接收数据就绪
    return (unsigned char)(UART1->URXD & 0xFF);
}

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五、stdio库移植要点

在裸机环境中移植标准输入输出库，需注意以下几点：

1. 异常处理函数

   在uart.c中添加空实现void raise(int n) {}，避免因缺少异常处理函数导致链接错误。

2. 汇编文件扩展名
   start.s需改为start.S。大写S的汇编文件会先经过预处理，支持宏定义与文件包含，满足stdio库对符号处理的依赖。

3. Makefile调整

   • 添加stdio/include与stdio/lib目录

   • 链接时加入-lgcc及指定库路径

   • 编译选项中加入-Wa,-mimplicit-it=thumb解决Thumb模式下条件执行指令的兼容问题

makefile

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
incdirs = bsp imx6ull stdio/include
srcdirs = bsp project stdio/lib

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六、实验与作业

实验内容

通过串口输入指令控制外设：

输入	输出现象
led on	开发板LED点亮
led off	开发板LED熄灭
beep on	蜂鸣器响
beep off	蜂鸣器停止

该实验验证了UART输入解析与GPIO控制的能力。

练习题

1. 数据类型字节大小

   在IMX6ULL平台中，通过sizeof验证各类型长度（如char=1，int=4，short=2），理解不同架构的数据对齐差异。

2. 大小端检测

   通过联合体或指针访问整型最低字节，判断当前系统为小端（如ARM Cortex-A系列默认小端）还是大端模式。

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七、作业解答

1. 单工、半双工、全双工

   单工：单向通信；半双工：分时双向；全双工：同时双向。

2. 串行与并行通信

   串行逐位传输，并行多bit同时传输。

3. 异步与同步通信

   异步依赖起始/停止位，同步需共享时钟。

4. 串口通信分类

   串口通信属于异步、串行、全双工通信（TTL/RS-232场景）。

5. 串口通信的电气表达

   TTL、RS-232、RS-485等，区别在于电平标准、传输距离与抗干扰能力。