深入理解 i.MX6ULL 串口通信：从硬件到驱动开发|dc的house

串口通信是嵌入式开发中最常用的外设之一，无论是单片机开发还是嵌入式 Linux 开发，串口都扮演着重要角色。通过串口，我们可以将开发板与电脑连接，使用串口调试助手调试程序，或者与蓝牙、GPS、GPRS 等模块进行通信。在嵌入式 Linux 中，串口通常被用作控制台，因此掌握串口的使用是嵌入式开发的必备技能。

本文将详细介绍 i.MX6ULL 的串口通信机制，包括 UART 的基本原理、硬件配置、寄存器操作以及驱动开发。

1. UART 通信简介

1.1 什么是 UART？

UART（Universal Asynchronous Receiver/Transmitter，通用异步收发传输器）是一种异步串行通信协议。它通过两根信号线（TX 和 RX）实现全双工通信，适用于短距离、低速率的通信场景。

1.2 UART 通信格式

UART 通信的数据帧格式如下：

空闲位 | 起始位 | 数据位（5-8位） | 校验位（可选） | 停止位（1-2位） | 空闲位
   1   |    0   |   D0 D1 D2 D3 D4 D5 D6 D7  |   P   |    1   |    1

空闲位：数据线在空闲状态时为高电平（逻辑“1”）。
起始位：数据线从高电平变为低电平（逻辑“0”），表示数据传输开始。
数据位：实际传输的数据，通常为 8 位。
校验位：用于错误检测（奇校验或偶校验）。
停止位：数据线恢复为高电平（逻辑“1”），表示数据传输结束。

1.3 UART 电平标准

TTL 电平：低电平表示逻辑“0”，高电平表示逻辑“1”。
RS-232 电平：-3V 到 -15V 表示逻辑“1”，+3V 到 +15V 表示逻辑“0”。

2. i.MX6ULL 的 UART 硬件

i.MX6ULL 集成了 8 个 UART 控制器，每个 UART 控制器支持以下特性：

最高波特率：5 Mbps。
支持 9 位或多节点模式（RS-485）。
可编程的奇偶校验（奇校验或偶校验）。
自动波特率检测（最高支持 115.2 Kbps）。

2.1 UART 时钟源

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

0：选择 pll3_80m（80 MHz）。
1：选择 osc_clk（24 MHz）。

通常选择 pll3_80m 作为时钟源，并通过 UART_CLK_PODF 位设置分频值（1~64 分频）。

3. UART 寄存器配置

3.1 重要寄存器

以下是 UART 控制器的主要寄存器：

寄存器名称	功能描述
`UARTx_UCR1`	控制寄存器 1，用于使能 UART 和自动波特率检测。
`UARTx_UCR2`	控制寄存器 2，用于配置数据位、停止位、校验位等。
`UARTx_UCR3`	控制寄存器 3，用于配置接收多路选择器。
`UARTx_USR2`	状态寄存器 2，用于检测发送和接收状态。
`UARTx_UFCR`	FIFO 控制寄存器，用于设置参考时钟分频。
`UARTx_UBIR`	波特率整数寄存器，用于设置波特率。
`UARTx_UBMR`	波特率小数寄存器，用于设置波特率。
`UARTx_URXD`	接收数据寄存器，用于读取接收到的数据。
`UARTx_UTXD`	发送数据寄存器，用于写入要发送的数据。

3.2 波特率计算

波特率的计算公式如下：
[
\text{Baud Rate} = \frac{\text{Ref Freq}}{16 \times (\text{UBMR} + 1) / (\text{UBIR} + 1)}
]
其中：

Ref Freq：参考时钟频率（如 80 MHz）。
UBMR：波特率小数寄存器的值。
UBIR：波特率整数寄存器的值。

例如，设置波特率为 115200：

Ref Freq = 80 MHz。
UBIR = 71。
UBMR = 3124。

4. UART 驱动开发

4.1 初始化 UART

以下是 UART 初始化的代码示例：

#include <stdint.h>

#define UART1_BASE_ADDR 0x02020000  // UART1 基地址
#define UART1_UCR1      (*(volatile uint32_t *)(UART1_BASE_ADDR + 0x80))
#define UART1_UCR2      (*(volatile uint32_t *)(UART1_BASE_ADDR + 0x84))
#define UART1_UFCR      (*(volatile uint32_t *)(UART1_BASE_ADDR + 0x90))
#define UART1_UBIR      (*(volatile uint32_t *)(UART1_BASE_ADDR + 0xA4))
#define UART1_UBMR      (*(volatile uint32_t *)(UART1_BASE_ADDR + 0xA8))
#define UART1_URXD      (*(volatile uint32_t *)(UART1_BASE_ADDR + 0x00))
#define UART1_UTXD      (*(volatile uint32_t *)(UART1_BASE_ADDR + 0x40))

void uart_init(uint32_t baud_rate) {
    // 设置波特率
    uint32_t uart_clk = 80000000;  // 80 MHz
    uint32_t baud_div = uart_clk / baud_rate;
    UART1_UBIR = (baud_div >> 4) & 0xFFFF;
    UART1_UBMR = baud_div & 0xF;

    // 配置数据格式：8 位数据，1 位停止位，无校验
    UART1_UCR2 |= (1 << 5) | (1 << 2) | (1 << 1);

    // 使能 UART
    UART1_UCR1 |= (1 << 0);
}

4.2 发送数据

通过 UARTx_UTXD 寄存器发送数据：

void uart_send_char(char c) {
    while (!(UART1_UCR2 & (1 << 3)));  // 等待发送缓冲区为空
    UART1_UTXD = c;
}

void uart_send_string(const char *str) {
    while (*str) {
        uart_send_char(*str++);
    }
}

4.3 接收数据

通过 UARTx_URXD 寄存器接收数据：

char uart_receive_char() {
    while (!(UART1_UCR2 & (1 << 0)));  // 等待接收数据
    return UART1_URXD & 0xFF;
}

void uart_receive_string(char *buffer, uint32_t length) {
    for (uint32_t i = 0; i < length; i++) {
        buffer[i] = uart_receive_char();
        if (buffer[i] == '\n' || buffer[i] == '\r') {
            buffer[i] = '\0';
            break;
        }
    }
}