UART串口及Linux实现

UART，全称Universal Asynchronous Receiver Transmitter，通用异步收发器，俗称串口。作为最常用的通信接口之一，从8位单片机到64位SoC，一般都会提供UART接口。

 

UART的常规构成及特性

芯片内部的UART模块，一般由波特率发生器、发送和接收FIFO、硬件流控、中断源等组件构成。常见特性如下：

• 全双工通信

• 硬件流控
  

• 可编程的字长（5/6/7/8比特）
  

• 可编程的停止位（1/1.5/2比特）

• 奇偶校验
  

• 可编程的FIFO中断触发水位
  

• 可编程的波特率

 

UART硬件信号及应用

信号脚	方向	用途
TXD	输出	串行数据输出
RXD	输入	串行数据输入
CTSN	输入	流控脚，允许发送，由对端设备控制，控制己方UART是否可以发送数据。低电平时，UART可以发送数据出去，高电平时，UART停止发送数据。
RTSN	输出	流控脚，请求发送，连接到对端设备的CTSN脚上，通知对端设备是否可以发送数据。低电平时，通知对端设备可以发送，高电平时，通知对端设备停止发送。

 

图1 带硬件流控的UART连接

 

图2 不带硬件流控的UART连接

 

UART通信协议

UART通信时序图如下

 

图3 UART时序

 

数据线的空闲电平为逻辑“1”，要传输数据时：

起始位：先发出一个逻辑”0”的信号，表示传输数据的开始。

数据位：实际要传输的数据，数据位数可以是5、6、7、8，数据是从最低有效位（LSB）开始。

校验位：数据位加上这一位后，使得“1”的位数应为偶数(偶校验)或奇数(奇校验)，以此来校验数据传送的正确性。上图中没有特意标明。

停止位：数据的结束标志。可以是1/1.5/2位的空闲电平。Linux串口设备编程接口并不支持设置1.5位。

UART通信是异步的，并没有单独的时钟来做同步，通信双方需要约定好相同的波特率。UART中的波特率可以认为是比特率，即每秒传输的位数。一般波特率有9600，115200，460800等选项。

 

Linux中的UART驱动

Linux UART驱动框架如下图所示，UART在用户空间会生成名为/dev/ttyS*的设备（ttyS名称是驱动给出的，可能因驱动而异），应用程序通过读写设备就可以进行UART通信。Linux内核实现了tty层和serial core，serial core会调用tty层的接口，注册tty driver，同时提供了底层uart的抽象：

• 定义struct uart_driver、struct uart_port、struct uart_ops等结构来描述底层uart驱动；

• 提供相应接口 uart_register_driver、uart_add_one_port 等。

 

图4 UART驱动框架

 

重点看一下struct uart_ops定义，如下图所示，定义了UART硬件能完成的操作。

 

UART控制器驱动会定义uart_ops结构并实现对应的函数功能，当然并不是所有函数都需要实现，最为关键的几个函数如下表所示。

函数	意义
tx_empty	查询TX FIFO是否为空，为空则返回1，否则返回0
stop_tx	停止发送
start_tx	启动发送
stop_rx	停止接收
startup	开启UART
shutdown	关闭UART
set_termios	设置UART属性，比如波特率、数据位数、停止位数、奇偶校验、流控等。

 

struct uart_driver指代一个UART驱动，struct uart_port指代一个具体UART端口，它们与struct uart_ops的关系大致如下图。

 

下面以某厂商的UART控制器驱动为例，看看驱动实现的整体流程。

UART控制器驱动，以platform_driver的形式呈现。

 

关键的uart_ops结构定义如下，uart_ops会关联到一个或多个uart_port上。

 

UART控制器驱动的probe函数，完成初始化uart_port，并添加到serial core中。

 

Linux上串口的常规操作工具

Linux上，除了一些串口工具比如minicom, cutecom可以操作串口外，也可以用如下命令行工具进行基本的操作。

目的	操作方法（以/dev/ttyS0为例）
查询串口	stty -F /dev/ttyS0
设置串口	stty -F /dev/ttyS0 speed 115200 cs8 -parenb -cstopb 115200波特率 8数据位 1停止位 无校验
读取数据	cat /dev/ttyS0
发送数据	echo "test data" > /dev/ttyS0

 

用户空间的串口编程

打开/读/写串口，与普通字符设备一样，open/read/write系统调用，不再赘述。如何设置串口属性，Linux提供了专门的API。

struct termios options;//获取参数tcgetattr(fd, &options);//波特率cfsetispeed(&options, B115200);cfsetospeed(&options, B115200);//8位数据位options.c_cflag &= ~CSIZE;options.c_cflag |= CS8;//无校验options.c_cflag &= ~PARENB;//1位停止位options.c_cflag &= ~CSTOPB;//设置参数tcsetattr(fd, TCANOW, &options);

 

内核空间的UART外设编程？

从以上介绍可以看到，UART最终是以用户空间的tty设备来呈现，应用程序可以操作tty设备完成UART通信。但是如果需要在内核中调用UART驱动呢，有没有相关接口？

假设有一个UART接口的按键扩展芯片，既要通过UART获取设备数据，又要将这些数据上报给input子系统。由于input子系统位于内核空间，那么通过UART获取数据的操作也应该在内核空间完成。那这个时候如何操作UART？如果最底层实现的UART操作函数有与tty和serial core解耦，那倒是可以考虑直接调用这些接口，但现实情况是一般都没有完全解耦。如果是专门针对该应用场景重构UART底层驱动，那也是一种方法，也确实有人这样做。

其它总线驱动，比如I2C驱动，针对挂在I2C总线上的设备，有i2c_driver框架实现设备驱动，有i2c_transfer函数接口来实现I2C通信。SPI驱动也是类似，有spi_driver框架和相应的SPI传输函数。所以在内核空间编写I2C/SPI设备驱动很方便。

针对UART，如果是4.14之前的内核，那么可以通过serio驱动来实现某设备与tty设备的挂钩，进而可以调用tty层的读写函数，tty层的读写函数最后会调用到UART底层驱动。

serio是个抽象的总线，并不专指UART，而是Serial IO的统称。serio驱动代码用struct serio_bus表示serio总线，用struct serio表示serio控制器，用struct serio_drvier表示serio设备驱动。详情可参考代码：

drivers/input/serio/*drivers/input/touchscreen/touchit213.c

如果是4.14版本以后的内核，已经新增了serail dev bus，并提供了相应的设备驱动注册函数：

serdev_device_driver_register(struct serdev_device_driver *, struct module *);

使用方法可参考蓝牙驱动：

drivers/bluetooth/hci_bcm.c

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作者：bigfish99

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