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桂電畢業(yè)的資深嵌入式專家。

一、模塊硬件學(xué)習(xí)

1．1． Uart介紹

通用異步收發(fā)傳輸器（Universal Asynchronous Receiver／Transmitter），通常稱為UART，是一種異步收發(fā)傳輸器，是電腦硬件的一部分。它將要傳輸?shù)馁Y料在串行通信與并行通信之間加以轉(zhuǎn)換。

作為把并行輸入信號轉(zhuǎn)成串行輸出信號的芯片，UART 通常被集成于其他通訊接口的連上。

UART 是一種通用串行數(shù)據(jù)總線，用于異步通信。該總線雙向通信，可以實(shí)現(xiàn)全雙工傳輸和接收。在嵌入式設(shè)備中，UART 用于主機(jī)與輔助設(shè)備通信，如汽車音與外接AP 之間的通信，與PC 機(jī)通信包括與監(jiān)控調(diào)試器和其它器件，如EEPOM通信。

1．1．1． 通信協(xié)議

UART作為異步串口通信協(xié)議的一種，工作原理是將傳輸數(shù)據(jù)的每個字符一位接一位地傳輸。其中各位的意義如下：

起始位：先發(fā)出一個邏輯”0”的信號，表示傳輸字符的開始。

數(shù)據(jù)位：緊接著起始位之后。數(shù)據(jù)位的個數(shù)可以是5、6、7、8等，構(gòu)成一個字符。通常采用ASCII碼。從最低位開始傳送，靠時鐘定位。

奇偶校驗(yàn)位：數(shù)據(jù)位加上這一位后，使得“1”的位數(shù)應(yīng)為偶數(shù)（偶校驗(yàn)）或奇數(shù)（奇校驗(yàn)），以此來校驗(yàn)數(shù)據(jù)傳送的正確性。

停止位：它是一個字符數(shù)據(jù)的結(jié)束標(biāo)志�？梢允�1位、1．5位、2位的高電平。

由于數(shù)據(jù)是在傳輸線上定時的，并且每一個設(shè)備有其自己的時鐘，很可能在通信中兩臺設(shè)備間出現(xiàn)了小小的不同步。因此停止位不僅僅是表示傳輸?shù)慕Y(jié)束，并且提供計(jì)算機(jī)校正時鐘同步的機(jī)會。適用于停止位的位數(shù)越多，不同時鐘同步的容忍程度越大，但是數(shù)據(jù)傳輸率同時也越慢。

空閑位：處于邏輯“1”狀態(tài)，表示當(dāng)前線路上沒有數(shù)據(jù)傳送。

Uart傳輸數(shù)據(jù)如圖2－1所示：

1．1．2． 波特率

波特率是衡量資料傳送速率的指標(biāo)。表示每秒鐘傳送的符號數(shù)（symbol）。一個符號代表的信息量（比特?cái)?shù)）與符號的階數(shù)有關(guān)。例如傳輸使用256階符號，每8bit代表一個符號，數(shù)據(jù)傳送速率為120字符／秒，則波特率就是120 baud，比特率是120＊8＝960bit／s。這兩者的概念很容易搞錯。

UART 的接收和發(fā)送是按照相同的波特率進(jìn)行收發(fā)的。波特率發(fā)生器產(chǎn)生的時鐘頻率不是波特率時鐘頻率，而是波特率時鐘頻率的16倍，目的是為在接收時進(jìn)行精確的采樣，以提取出異步的串行數(shù)據(jù)。根據(jù)給定的晶振時鐘和要求的波特率，可以算出波特率分頻計(jì)數(shù)值。

1．1．3． 工作原理

發(fā)送數(shù)據(jù)過程：空閑狀態(tài)，線路處于高電位；當(dāng)收到發(fā)送數(shù)據(jù)指令后，拉低線路一個數(shù)據(jù)位的時間T，接著數(shù)據(jù)位按低位到高位依次發(fā)送，數(shù)據(jù)發(fā)送完畢后，接著發(fā)送奇偶檢驗(yàn)位和停止位（停止位為高電位），一幀數(shù)據(jù)發(fā)送結(jié)束。

接收數(shù)據(jù)過程： 空閑狀態(tài)，線路處于高電位；當(dāng)檢測到線路的下降沿（線路電位由高電位變?yōu)榈碗娢唬�時說明線路有數(shù)據(jù)傳輸，按照約定的波特率從低位到高位接收數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)接收完畢后，接著接收并比較奇偶檢驗(yàn)位是否正確，如果正確則通知則通知后續(xù)設(shè)備準(zhǔn)備接收數(shù)據(jù)或存入緩存。

由于UART是異步傳輸，沒有傳輸同步時鐘。為了能保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)恼�確性，UART采用16倍數(shù)據(jù)波特率的時鐘進(jìn)行采樣。每個數(shù)據(jù)有16個時鐘采樣，取中間的采樣值，以保證采樣不會滑碼或誤碼。

一般UART一幀的數(shù)據(jù)位為8，這樣即使每一個數(shù)據(jù)有一個時鐘的誤差，接收端也能正確地采樣到數(shù)據(jù)。

UART的接收數(shù)據(jù)時序?yàn)椋寒?dāng)檢測到數(shù)據(jù)下降沿時，表明線路上有數(shù)據(jù)進(jìn)行傳輸，這時計(jì)數(shù)器CNT開始計(jì)數(shù)，當(dāng)計(jì)數(shù)器，當(dāng)計(jì)數(shù)器為8時，采樣的值為“0”表示開始位；當(dāng)計(jì)數(shù)器為24＝161＋8時，采樣的值為bit0數(shù)據(jù)；當(dāng)計(jì)數(shù)器的值為40＝162＋8時，采樣的值為bit1數(shù)據(jù)；依次類推，進(jìn)行后面6個數(shù)據(jù)的采樣。如果需要進(jìn)行奇偶校驗(yàn)位，則當(dāng)計(jì)數(shù)器的值為152＝169＋8時，采樣的值為奇偶位；當(dāng)計(jì)數(shù)器的值為168＝1610＋8時，采樣的值為“1”表示停止位，一幀數(shù)據(jù)收發(fā)完成。

1．1．4． RS232與RS485

UART：通常說的UART指的是一種串行通信協(xié)議，規(guī)定了數(shù)據(jù)幀格式，波特率等。RS232和RS485：是兩種不同的電氣協(xié)議，也就是說，是對電氣特性以及物理特性的規(guī)定，作用于數(shù)據(jù)的傳輸通路上，它并不含對數(shù)據(jù)的處理方式。

對應(yīng)的物理器件有RS232或者RS485驅(qū)動芯片，將CPU經(jīng)過UART傳送過來的電壓信號驅(qū)動成RS232或者RS485電平邏輯。

RS232使用3－15V有效電平，而UART，因?yàn)閷﹄姎馓匦詻]有規(guī)定，所以直接使用CPU使用的電平，即TTL電平（在0－3．3V之間）。

更具體的，電氣的特性也決定了線路的連接方式，比如RS232，規(guī)定用電平表示數(shù)據(jù)，因此線路就是單線路的，兩根線能達(dá)到全雙工的目的；RS485使用差分電平表示數(shù)據(jù)，因此必須用兩根線才能達(dá)到傳輸數(shù)據(jù)的基本要求，要實(shí)現(xiàn)全雙工，必須使用4根線。

RS232和RS485的區(qū)別（1）抗干擾性

RS485 接口是采用平衡驅(qū)動器和差分接收器的組合，具有抑制共模干擾的能力，抗噪聲干擾性強(qiáng)。RS232接口使用一根信號線和一根信號返回線而構(gòu)成供地的傳輸形式，這種共地傳輸容易產(chǎn)生共模干擾，所以抗噪聲干擾性弱。（2）傳輸距離RS485 接口的最大傳輸距離標(biāo)準(zhǔn)值為1200 米（9600bps 時），實(shí)際上可達(dá)3000米。RS232 傳輸距離有限，最大傳輸距離標(biāo)準(zhǔn)值為50米，實(shí)際上也只能用15米左右。（3）通信能力RS485接口在總線上最多可以連接128個收發(fā)器，即具有多站能力，而這樣的用戶可以利用單一的RS485接口方便的建立起設(shè)備網(wǎng)絡(luò)。RS232只允許一對一通信。（4）傳輸速率RS232傳輸速率較低，在異步傳輸時，波特率為20Kbps．RS485的數(shù)據(jù)最高傳輸速率為10Mbps．（5） 信號線RS485全雙工：uart－tx 1根線，變成 RS485－ A／B 2根線；uart－rx 1根線，變成 RS485－ x／y 2根線，RS485半雙工： 將全雙工的 A／B； X／Y 合并起來，分時復(fù)用。RS232只允許一對一通信（6）電氣電平值邏輯“1”以兩線間的電壓差為＋（2－6）V表示；邏輯“0”以兩線間的電壓差為－（2－6）V表示。在RS232中任何一條信號的電壓均為負(fù)邏輯關(guān)系。即：邏輯“1”－5－15V；邏輯“0”，＋5～＋15V，噪聲容限為2V。即要求接收器能識別低至＋3V的信號作為邏輯“0”，高到－3V的信號的信號作為邏輯“1”。RS232接口的信號電平值較高，易損壞接口電路的芯片，又因?yàn)榕cTTL電平不兼容故使用電平轉(zhuǎn)換電路方能與TTL電路連接。RS485接口信號電平比RS232降低了，就不易損壞接口電路的芯片，且該電平與TTL電平兼容，方便與TTL電路連接。1．1．5． 流控

數(shù)據(jù)在兩個串口傳輸時，常常會出現(xiàn)丟失數(shù)據(jù)的現(xiàn)象，或者兩臺計(jì)算機(jī)的處理速度不同，如臺式機(jī)與單片機(jī)之間的通訊，接收端數(shù)據(jù)緩沖區(qū)以滿，此時繼續(xù)發(fā)送的數(shù)據(jù)就會丟失，流控制能解決這個問題，當(dāng)接收端數(shù)據(jù)處理不過來時，就發(fā)出“不再接收”的信號，發(fā)送端就停止發(fā)送，直到收到“可以繼續(xù)發(fā)送”的信號再發(fā)送數(shù)據(jù)。

因此流控制可以控制數(shù)據(jù)傳輸?shù)倪M(jìn)程，防止數(shù)據(jù)丟失。PC機(jī)中常用的兩種流控為：硬件流控（包括RTS／CTS、DTR／CTS等）和軟件流控制XON／XOFF（繼續(xù)／停止）。

1．1．5．1． 硬件流控

硬件流控制常用的有RTS／CTS流控制和DTR／DSR流控制兩種。

DTR–數(shù)據(jù)終端就緒（Data Terminal Ready）低有效，當(dāng)為低時，表示本設(shè)備自身準(zhǔn)備就緒。此信號輸出對端設(shè)備，使用對端設(shè)備決定能否與本設(shè)備通信。

DSR－數(shù)據(jù)裝置就緒（Data Set Ready）低有效，此信號由本設(shè)備相連接的對端設(shè)備提供，當(dāng)為低時，本設(shè)備才能與設(shè)備端進(jìn)行通信。

RTS － 請求發(fā)送（數(shù)據(jù)）（Request To Send）低有效，此信號由本設(shè)備在需要發(fā)送數(shù)據(jù)給對端設(shè)備時設(shè)置。當(dāng)為低時，表示本設(shè)備有數(shù)據(jù)需要向?qū)Χ嗽O(shè)備發(fā)送。對端設(shè)備能否接收到本方的發(fā)送數(shù)據(jù)，則通過CTS信號來應(yīng)答。

CTS －  接收發(fā)送（請求）（Clear To Send）低有效，對端設(shè)備能否接收本方所發(fā)送的數(shù)據(jù)，由CTS決定。若CTS為低，則表示對端的以準(zhǔn)備好，可以接收本端發(fā)送數(shù)據(jù)。

以RTS／CTS流控制分析，分析主機(jī)發(fā)送／接收流程：

物理連接

主機(jī)的RTS（輸出信號），連接到從機(jī)的CTS（輸入信號）。主機(jī)是CTS（輸入信號），連接到從機(jī)的RTS（輸入信號）。

1．主機(jī)的發(fā)送過程：主機(jī)查詢主機(jī)的CTS腳信號，此信號連接到從機(jī)的RTS信號，受從機(jī)控制。如果主機(jī)CTS信號有效（為低），表示從機(jī)的接收FIFO未滿，從機(jī)可以接收，此時主機(jī)可以向從機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)，并且在發(fā)送過程中要一直查詢CTS信號是否為有效狀態(tài)。主機(jī)查詢到CTS無效時，則中止發(fā)送。主機(jī)的CTS信號什么時候會無效呢？從機(jī)在接收到主機(jī)發(fā)送的數(shù)據(jù)時，從機(jī)的接收模塊的FIFO如果滿了，則會使從機(jī)RTS無效，也即主機(jī)的CTS信號無效。主機(jī)查詢到CTS無效時，主機(jī)發(fā)送中止。

2．主機(jī)接收模式：如果主機(jī)接收FIFO未滿，那么使主機(jī)RTS信號有效（為低），即從機(jī)的CTS信號有效。此時如果從機(jī)要發(fā)送，發(fā)送前會查詢從機(jī)的CTS信號，如果有效，則開始發(fā)送。并且在發(fā)送過程中要一直查詢從機(jī)CTS信號的有效狀態(tài)，如果無效則終止發(fā)送。是否有效由主機(jī)的RTS信號決定。如果主機(jī)FIFO滿了，則使主機(jī)的RTS信號無效，也即從機(jī)CTS信號無效，主機(jī)接收中止。

1．1．5．2． 軟件流控

由于電纜的限制，在普通的控制通訊中一般不采用硬件流控制，而是使用軟件流控制。

一般通過XON／XOFF來實(shí)現(xiàn)軟件流控制。常用方法是：當(dāng)接收端的輸入緩沖區(qū)內(nèi)數(shù)據(jù)量超過設(shè)定的高位時，就向數(shù)據(jù)發(fā)送端發(fā)送XOFF字符后就立即停止發(fā)送數(shù)據(jù)。

當(dāng)接收端的輸入緩沖區(qū)內(nèi)數(shù)據(jù)量低于設(shè)定的低位時，就向數(shù)據(jù)發(fā)送端發(fā)送XON字符（十進(jìn)制的17或Control－Q），發(fā)送端收到XON字符后就立即開始發(fā)送數(shù)據(jù)。

一般可從設(shè)備配套源程序中找到發(fā)送端收到XON字符后就立即發(fā)送數(shù)據(jù)。一般可以從設(shè)備配套源程序中找到發(fā)送的是什么字節(jié)。

應(yīng)注意，若傳輸?shù)氖嵌�進(jìn)制的數(shù)據(jù)，標(biāo)志字符也可能在數(shù)據(jù)流中出現(xiàn)而引起誤操作，這是軟件流控的缺陷，而硬件流控不會出現(xiàn)這樣的問題。

二、Linux serial框架

在Linux系統(tǒng)中，終端是一種字符型設(shè)備，它有多種類型，通常使用tty（Teletype）來簡稱各種類型的終端設(shè)備。

對于嵌入式系統(tǒng)而言，最普遍采用的是Uart（Universal Asynchronous Receiver／Transmitter），串行端口，日常生活中簡稱端口

2．1． TTY驅(qū)動程序框架2．1．1． TTY概念2．1．1．1． 串口終端（／dev／ttyS＊）

串口終端是使用計(jì)算機(jī)串口連接的終端設(shè)備。Linux把每個串行端口都看做是一個字符設(shè)備。這些串行端口所對應(yīng)的設(shè)備名稱是／dev／ttySAC＊；

2．1．1．2． 控制臺終端（／dev／console）

在Linux系統(tǒng)中，計(jì)算機(jī)的輸出設(shè)備通常被稱為控制臺終端，這里特指printk信息輸出到設(shè)備。／dev／console是一個虛擬的設(shè)備，它需要映射到真正的tty上，比如通過內(nèi)核啟動參數(shù)“console＝ttySCA0”就把console映射到了串口0

2．1．1．3． 虛擬終端（／dev／tty＊）

當(dāng)用戶登錄時，使用的是虛擬終端。使用Ctcl＋Alt［F1 － F6］組合鍵時，我們就可以切換到tty1、tty2、tty3等上面去。tty＊就稱為虛擬終端，而tty0則是當(dāng)前所使用虛擬終端的一個別名。

2．1．2． TTY架構(gòu)分析

整個 tty架構(gòu)大概的樣子如圖3．1所示，簡單來分的話可以說成兩層，一層是下層我們的串口驅(qū)動層，它直接與硬件相接觸，我們需要填充一個 struct uart＿ops 的結(jié)構(gòu)體，另一層是上層 tty 層，包括 tty 核心以及線路規(guī)程，它們各自都有一個 Ops 結(jié)構(gòu)，用戶空通過間是 tty 注冊的字符設(shè)備節(jié)點(diǎn)來訪問。

圖3．1tty架構(gòu)圖

如圖3．2所示，tty設(shè)備發(fā)送數(shù)據(jù)的流程為：tty核心從一個用戶獲取將要發(fā)送給一個tty設(shè)備的數(shù)據(jù)，tty核心將數(shù)據(jù)傳遞給tty線路規(guī)程驅(qū)動，接著數(shù)據(jù)被傳到tty驅(qū)動，tty驅(qū)動將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為可以發(fā)給硬件的格式。

接收數(shù)據(jù)的流程為：從tty硬件接收到的數(shù)據(jù)向上交給tty驅(qū)動，接著進(jìn)入tty線路規(guī)程驅(qū)動，再進(jìn)入tty核心，在這里它被一個用戶獲取。

圖3．2 tty設(shè)備發(fā)送、接收數(shù)據(jù)流程2．2． 關(guān)鍵數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)2．2．1． Struct uart＿driver

uart＿driver 包含了串口設(shè)備名，串口驅(qū)動名，主次設(shè)備號，串口控制臺（可選））等信息，還封裝了tty＿driver（底層串口驅(qū)動無需關(guān)心tty＿driver）

struct uart＿driver ｛
       struct module    ＊owner； 擁有該uart＿driver的模塊，一般為THIS＿M(jìn)ODULE
       const char        ＊driver＿name； 驅(qū)動串口名，串口設(shè)備名以驅(qū)動名為基礎(chǔ)
       const char        ＊dev＿name； 串口設(shè)備名
       int                 major； 主設(shè)備號
       int                 minor； 次設(shè)備號
       int                 nr； 該uart＿driver支持的串口數(shù)
       struct console    ＊cons； 其對應(yīng)的console，若該uart＿driver支持serial console，
＊否則為NULL
＊ these are private； the low level driver should not
＊ touch these； they should be initialised to NULL
struct uart＿state ＊state； 下層，窗口驅(qū)動層
struct tty＿driver  ＊tty＿driver； tty相關(guān)
2．2．2． struct console

實(shí)現(xiàn)控制臺打印功能必須要注冊的結(jié)構(gòu)體

struct console ｛
     char name［16］；
     void（＊write）（struct console ＊，const char ＊， unsigined）；
     int （＊read）（struct console ＊， char ＊， unsigned）；
     struct tty＿driver ＊（struct console ＊，int＊）；
     void （＊unblank）（void）；
     int  （＊setup）（struct console ＊， char ＊）；
     int  （＊early＿setup）（void）；
     short  flags；
     short  index； 用來指定該console使用哪一個uart port （對應(yīng)的uart＿port中的line），如果為－1，kernel會自動選擇第一個uart port
     int   cflag；
     void  ＊data；
     struct   console ＊next；
｝；