ARM裸机学习6——UART

一、通信的基本概念

[1.1 通信的方式分类](#1.1 通信的方式分类)

二、UART

[2.1 串口通信的数据格式：](#2.1 串口通信的数据格式：)

[2.2 电器标准](#2.2 电器标准)

三、硬件

[3.1 I.MX6U 的 UART资源](#3.1 I.MX6U 的 UART资源)

[3.2 硬件原理图](#3.2 硬件原理图)

编辑

四、软件

[4.1 常用的串口调试软件：](#4.1 常用的串口调试软件：)

[4.2 参考手册](#4.2 参考手册)

[4.3 模块函数编写](#4.3 模块函数编写)

[4.4 标准 I/O 库（stdio）移植全流程](#4.4 标准 I/O 库（stdio）移植全流程)

[步骤 1：添加必要的空实现函数](#步骤 1：添加必要的空实现函数)

[步骤 2：修改汇编文件扩展名](#步骤 2：修改汇编文件扩展名)

[步骤 3：更新 Makefile 配置](#步骤 3：更新 Makefile 配置)

五、实验现象

[六、基于 stdio 的进阶应用场景](#六、基于 stdio 的进阶应用场景)

实验目的：是实现115200,n,8,1与电脑之间通信。

一、通信的基本概念

通信:嵌入式系统中的通信是指两个或两个以上的主机之间的数据互交，这里的主机可以是计算机也可以是嵌入式主机，甚至可以是芯片。

1.1 通信的方式分类

按照通信的数据同步方式分

异步通信：

概念：通信双方事先约定速率，按照各自的系统计时的通信方式称为异步。

特点：以字符（构成的帧）为单位进行传输，字符与字符之间的间隙（时
间间隔）是任意的，但每个字符中的各位是以固定的时间传送的

同步通信：

概念：通信双方通过时钟线SCL（serial clock）确定通信速率（不用向异步那样约定速率），发送方负责控制时钟线的变化，这种通信方式就称为同步通信。

应用： IIC、SPI等。

按照数据传送方式分：

串行：节约引脚，通信速率慢

概念：串行通信是指将数据拆分成一个个比特，按照先后次序在一根总线上进行发送，是主机间通信的常用方式。

优点：系统占用资源少（传输线，IO口），结构简单；传输距离远，抗干扰性好，长距离传送时硬件成本低，且可以利用电话网等现成的设备

缺点：传输速率较低，数据的传送控制比并行通信复杂。

应用：RS232、RS485、RS422都是串行通信。

并行通信：

概念：并行通信是指多个比特同时通过并行线进行传输

优点：传输速率高，控制简单

缺点：引脚资源占用多（并行线、IO口，还需额外一根时钟线）；由于传输线较多，长距离传送时成本高且接收方的各位同时接收存在困难，抗干扰能力差；硬件成本高

应用：AHB、APB总线、imx6ull 24并行数据线连接屏幕

按照数据的传输方向分：

通信方式	数据传输方向	数据线数量	核心特点	适用场景
单工(Simplex Communication)	单向固定	1 根	发送方和接收方固定，无法双向传输	红外遥控、串口打印（仅发送）
半双工(Half-Duplex Communication)	双向但不同时	1 根	双方可收发数据，但同一时刻仅能单向传输	对讲机、I2C 总线（软件半双工）
全双工(Full-Duplex Communication)	双向同时	2 根（TXD+RXD）	收发独立，可同时进行数据传输	单片机与电脑、蓝牙模块通信、打电话

单工概念：主机间通信时++一方固定为发送端另外一方固定为接收端++，通过一根总线实现数据通信。

半双工概念：数据传输可以在两个方向之间交替进行，但不能同时进行。

全双工概念：允许通信双方同时发送和接收数据，实现双向通信。

二、UART

概念：UART（Universal Asynchronous Receiver Transmitter）即通用异步收发器，是硬件电路中的通信接口，拥有独立的通信规则（协议），核心属性为异步、全双工、串行通信。
应用：在 WIFI、蓝牙、GPS、GSM/GPRS 等应用的控制。开发板上集成了 1 个串口通信电路，是 USB 转串口模块，它既可下载程序也可实现串口通信功能。
比特率：是每秒钟传输二进制代码的位数，单位是：位／秒（ bps）。如每秒钟传送 240 个字符，而每个字符格式包含 10 位(1 个起始位、1 个停止位、8 个数据位)，这时的比特率为：
10 位×240 个/秒 = 2400 bps

2.1 串口通信的数据格式：

常用数据格式：

115200 N 8 1: 波特率-115200 N-无校验 8-8位数据位 1-1位停止位

4800 E 8 1.5 （工业上常用） : 波特率-4800 E-偶校验 8-8位数据位 1.5-1.5位停止位

2.2 电器标准

1.主机间通信时的电器物理问题

主机间通信无论采用并行还是串行方式，都无法避免一个物理现象：导线内阻 不为零造成的电压衰减。以之前讨论的TTL电平为例，主机之间的距离会造成高电平在接收端出现衰减现象 和串扰(指不同信号之间相互干扰导致信号失真)影响。

2.电平标准

TTL电平

**概念：**TTL(Transistor-Transistor Logic)通常指的就是芯片引脚产生的电压，这个电压值跟选择的芯片有关

在51单片机系统下是5v，5vTTL通信距离通常被限制在10~20米之间；

在2440下是3.3v等等。

特点：传输距离短。

补充：

{ TTL与 RS-232C(老式电脑用) 电平转换，通常使用的电平转换芯片是 MAX232。}

{ TTL与USB电平转换，通常使用的电平转换芯片是 CH340}

RS232：

诞生：为解决传输距离短的问题，IEEE(Institute of Electrical and Electronics Engineers)颁布了RS232标准

具体规定：

逻辑高电平（逻辑1）：在-3V到-15V之间

逻辑低电平（逻辑0）：在+3V到+15V之间

收发主机间有三根线，分别是收、发和地，因此RS232是全双工的。

理论上RS232能够传输20~30米。

特点：传输距离比TTL远。

RS485

诞生：为解决传输距离短的问题

具体规定：

正电压表示高电平,负电压表示低电平。

逻辑低电平（逻辑0）：在-7V到-12V之间

逻辑高电平（逻辑1）：在+7V到+12V之间

特点

差分信号传输（压差）

抗干扰能力强，适合工业环境。

传输距离比RS232远，可达1200米，适用于大范围的数据传输需求。

半双工：因为采用的是压差，RS485在传输数据的某一时刻，两根线都要用到。

补充：

更远距离的传输，可以使用485中继器

三、硬件

3.1 I.MX6U 的 UART资源

I.MX6U 一共有8 个 UART，其主要特性如下：
① 兼容 TIA/EIA-232F 标准，++速度最高可到 5Mbit/S++；
② 支持串行 IR 接口，兼容 IrDA(Infrared Data Association红外数据组织)，最高可到 115.2Kbit/s;
③ 支持 9 位或者多节点模式++(RS-485)++;
④ 1 或 2 位停止位;
⑤ 可编程的奇偶校验(奇校验和偶校验);
⑥ 自动波特率检测(最高支持 115.2Kbit/S)。

3.2 硬件原理图

四、软件

4.1 常用的串口调试软件：

windows下的串口调试软件很多，也各有优缺点。调试51单片机时可以使用STC提供的ISP下载程序，其中就包括了一个串口调试助手；

UartAssist，绿色软件、只有一个执行文件、无需安装；支持ASCII/HEX码数据发送,发送和接收的数据可以在十六进制码和ASCII码之间任意转换，支持发送和显示汉字；可以自动发送校验位，支持多种校验格式，如校验和、LRC、BCC、CRC8、CRC16、CRC32、MD5等，其中CRC校验码可任意定制CRC参数(CRC多项式、初始值、输入反转、输出反转、输出异或值)。

4.2 参考手册

复用引脚配置：

引脚电器属性配置

UART时钟配置

UART属性配置

接收缓冲区

发送缓冲区

UART使能

停止位

4.3 模块函数编写

波特率计算公式

初始化函数

cpp 复制代码

#include "uart.h"
#include "MCIMX6Y2.h"
#include "fsl_iomuxc.h"

void reset_uart1(void)
{
    UART1->UCR2 &= ~(1 << 0);
    while((UART1->UCR2 & (1 << 0)) == 0);
}

void uart1_init(void)
{
    //复用功能
    IOMUXC_SetPinMux(IOMUXC_UART1_RX_DATA_UART1_RX, 0);
    IOMUXC_SetPinMux(IOMUXC_UART1_TX_DATA_UART1_TX, 0);
    //电气特性
    IOMUXC_SetPinConfig(IOMUXC_UART1_RX_DATA_UART1_RX, 0x10B0);
    IOMUXC_SetPinConfig(IOMUXC_UART1_TX_DATA_UART1_TX, 0x10B0);

    //UART
    reset_uart1();
    unsigned int t = 0;
    t = UART1->UCR2;
    t |= (1 << 14);
    t &= ~(1 << 8);
    t &= ~(1 << 6);
    t |= (1 << 5);
    t |= (1 << 2);
    t |= (1 << 1);
    UART1->UCR2 = t;
    //MUXC
    UART1->UCR3 |= (1 << 2);
    //模块时钟分频值
    UART1->UFCR &= ~(7 << 7);
    UART1->UFCR |= (5 << 7);

    //波特率配置
    UART1->UBIR = 999;
    UART1->UBMR = 43402;
    UART1->UCR1 |= (1 << 0);
}

功能函数

cpp 复制代码

// 串口1发送一个字节数据
// d：要发送的字节数据
void putc(unsigned char d)
{
    // 循环等待串口发送缓冲区为空（USR2的第3位为1表示发送完成/缓冲区空）
    while((UART1->USR2 & (1 << 3)) == 0);
    
    // 向串口数据发送寄存器写入要发送的数据（与0xFF确保是8位数据）
    UART1->UTXD = 0xFF & d;  
}

// 串口1接收一个字节数据
// 返回值：接收到的字节数据
unsigned char getc(void)
{
    // 循环等待串口接收缓冲区有数据（USR2的第0位为1表示接收到数据）
    while((UART1->USR2 & (1 << 0)) == 0);
    
    // 从串口数据接收寄存器读取数据，并返回
    return (unsigned char)UART1->URXD; 
}

// 串口1发送一个字符串
// s：要发送的字符串指针
void puts(const char *s)
{
    // 循环遍历字符串，直到遇到结束符'\0'
    while(*s)
    {
        putc(*s++);  // 发送当前字符，指针后移
    }
    putc('\n');     // 字符串发送完毕后，发送换行符
}   

// 串口1接收一行字符串（以回车/换行结束）
// pstr：存储接收字符串的缓冲区指针
// 返回值：指向字符串起始地址的指针
char* gets(char* pstr)
{
    char* start = pstr;  // 保存字符串起始地址，用于返回
    
    // 循环接收字符
    while(1)
    {
        char c = getc();  // 从串口读取一个字符
        
        // 如果收到回车（\r）或换行（\n），表示一行输入结束
        if(c == '\r' || c == '\n')
            break;
        
        *pstr++ = c;  // 将接收到的字符存入缓冲区，指针后移
    }
    
    *pstr = '\0';  // 在字符串末尾添加结束符，构成标准C字符串
    return start;  // 返回字符串起始地址
}

4.4 标准 I/O 库（stdio）移植全流程

在嵌入式 UART 开发中，最基础的收发函数putc()/getc()仅支持单个字节 的读写操作，无法直接使用 C 语言中最常用的printf()（格式化输出）、scanf()（格式化输入）等高级接口。通过移植标准 C 库stdio.h，可以直接复用这些成熟的格式化输入输出函数，大幅提升开发效率，让串口调试、人机交互变得更加便捷。

步骤 1：添加必要的空实现函数

stdio库依赖raise()函数（用于异常处理），如果不实现会导致编译报错。我们只需在uart.c中添加一个空实现即可满足链接需求：

cpp 复制代码

/**
 * @brief  raise函数空实现
 * @note   stdio库依赖此函数，仅需空实现满足链接要求，无实际业务逻辑
 * @param  n: 异常信号编号
 * @retval 无
 */
void raise(int n)
{
    // 空实现，仅满足链接需求
}

//补充说明：raise()是 C 标准库中用于向进程发送信号的函数，在裸机嵌入式环境中无实际作用，因此直接空实现即可。

步骤 2：修改汇编文件扩展名

如果你的启动汇编文件名为start.s（小写s），必须将其重命名为start.S（大写 S），原因如下：

大写.S：会触发 GCC 的预处理流程 ，支持#include、#define等宏定义

小写.s：直接编译，不执行预处理

stdio库依赖预处理流程，因此必须使用大写.S后缀

步骤 3：更新 Makefile 配置

需要在 Makefile 中添加stdio库路径、头文件目录和源码目录，确保编译器能正确找到相关依赖文件。以下是完整可复用的 Makefile 模板：

bash 复制代码

target = uart

cross_compiler = arm-linux-gnueabihf-

cc = $(cross_compiler)gcc
ld = $(cross_compiler)ld
objcopy = $(cross_compiler)objcopy
objdump = $(cross_compiler)objdump

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

include = $(patsubst %, -I%, $(incdirs))
pathlib = -lgcc -L/home/linux/tools/gcc-linaro-4.9.4-2017.01-x86_64_arm-linux-gnueabihf/lib/gcc/arm-linux-gnueabihf/4.9.4


cfiles = $(foreach dir, $(srcdirs), $(wildcard $(dir)/*.c))
sfiles = $(foreach dir, $(srcdirs), $(wildcard $(dir)/*.S))

cfilenodir = $(notdir $(cfiles))
sfilenodir = $(notdir $(sfiles))

cobjs = $(patsubst %, obj/%, $(cfilenodir:.c=.o))
sobjs = $(patsubst %, obj/%, $(sfilenodir:.S=.o))

objs = $(cobjs) $(sobjs)

VPATH = $(srcdirs)

$(target).bin : $(objs)
	$(ld) -Timx6ull.lds -o$(target).elf $^ $(pathlib)
	$(objcopy) -O binary -S -g $(target).elf $@
	$(objdump) -D $(target).elf > $(target).dis

$(sobjs) : obj/%.o : %.S
	@mkdir -p obj
	$(cc) -Wall -nostdlib -Wa,-mimplicit-it=thumb -nostdlib -fno-builtin -c $(include) -o $@ $<

$(cobjs) : obj/%.o : %.c
	@mkdir -p obj		
	$(cc) -Wall -nostdlib -Wa,-mimplicit-it=thumb -nostdlib -fno-builtin -c $(include) -o $@ $<

.PHONY : clean
clean:
	rm -rf $(objs) $(target).elf $(target).bin $(target).dis

load:
	./imxdownload $(target).bin /dev/sdb

五、实验现象

烧录程序到开发板，打开串口调试工具（波特率 115200，8 位数据位，1 停止位，无校验）
串口会打印提示：请输入两个整数，用空格分隔：
在串口工具中输入100 6并回车
串口立即输出：100 + 6 = 106
若能正常实现上述效果，证明stdio库移植成功。

六、基于 stdio 的进阶应用场景

完成stdio移植后，我们可以基于 UART 实现更丰富的功能：

串口命令交互系统：通过串口输入命令控制 LED 灯、蜂鸣器、继电器等外设
调试信息输出 ：使用printf()打印程序运行状态、变量值、错误日志
设备数据交互：与其他串口设备（如传感器、蓝牙模块）进行数据通信
串口固件升级：通过串口实现 IAP（在应用编程），升级程序固件
人机交互界面：实现简单的菜单式交互，方便调试和功能测试