61、IMX6ULL UART串口通信实战

IMX6ULL UART串口通信实战

一、UART核心概念梳理

在动手写代码前，先理清嵌入式通信的核心概念，这是理解UART工作原理的基础。

1. 通信

嵌入式系统中的通信本质是两个及以上主机间的数据交互，UART是其中一种异步串行通信方式，无需时钟线同步，仅通过TX（发送）、RX（接收）两根线即可完成双向数据传输。

2. 异步 vs 同步

• 异步通信：无需专用时钟线，收发双方约定波特率、数据位、停止位等参数，通过“起始位+数据位+校验位+停止位”的帧格式实现同步（UART属于此类）；
• 同步通信：需要时钟线（如SPI的SCK、I2C的SCL），收发双方严格同步于时钟信号，传输效率更高（如SPI、I2C）。

3. 串行 vs 并行

• 串行通信：数据逐位沿单根线路传输（如UART、RS485），优点是布线简单、传输距离远，缺点是速度相对慢；
• 并行通信：多位数据同时沿多根线路传输（如MCU的并行总线），优点是速度快，缺点是布线复杂、抗干扰差、传输距离短。

4. 单工/半双工/全双工

• 单工：仅支持单向传输（如遥控器→电视）；
• 半双工：支持双向传输，但同一时间只能一方发送（如对讲机）；
• 全双工：支持双向同时传输（UART默认全双工，TX/RX独立）。

5. TTL/RS232/RS485

三者是不同的电平标准，核心用于适配不同传输场景：

• TTL：嵌入式芯片原生电平（高电平≈3.3V/5V，低电平≈0V），传输距离短（<1米）；
• RS232：负电平标准（高电平-3_{-15V，低电平+3}+15V），传输距离≈15米；
• RS485：差分电平传输，抗干扰能力极强，传输距离可达千米级，支持多机通信。

6. 差分传输

差分传输通过两根信号线的电压差表示逻辑电平（如A-B>0.2V为逻辑1，A-B<-0.2V为逻辑0），能有效抵消共模干扰（如电源线、电磁干扰），是RS485、CAN等远距离通信的核心技术。

二、硬件原理图分析（IMX6ULL_MINI_V2.2）

本次实战基于《IMX6ULL_MINI_V2.2(Mini底板原理图).pdf》的USB USART&USB POWER模块，核心硬件组成如下：

1. 核心模块拆解

2. 硬件逻辑

电脑通过USB线连接开发板的USB_TTL接口 → CH340将USB信号转为TTL电平的UART信号 → 连接到IMX6ULL的UART1_TX/RX引脚 → 实现“电脑-开发板”的UART通信。

三、UART代码实现（基于IMX6ULL）

代码开发参考《IMX6ULL参考手册.pdf》，核心分为时钟初始化、引脚初始化、寄存器配置、收发函数实现、stdio移植五个步骤。

1. 前期准备

先定义IMX6ULL的UART1寄存器基地址和引脚复用相关宏（示例）：

// UART1寄存器基地址
#define UART1_BASE 0x02020000
#define UART1 ((volatile unsigned int *)UART1_BASE)

// 寄存器偏移定义（仅列出核心寄存器）
#define UART_URXD 0x00 // 接收寄存器
#define UART_UTXD 0x40 // 发送寄存器
#define UART_UCR1 0x80 // 控制寄存器1
#define UART_UCR2 0x84 // 控制寄存器2
#define UART_UCR3 0x88 // 控制寄存器3
#define UART_UFCR 0x90 // FIFO控制寄存器
#define UART_USR2 0xB8 // 状态寄存器2
#define UART_UBIR 0xA4 // 波特率增量寄存器
#define UART_UBMR 0xA8 // 波特率调制寄存器

// 引脚复用函数声明（IMX6ULL标准库）
void IOMUXC_SetPinMux(unsigned int muxRegister, unsigned int muxMode);
void IOMUXC_SetPinConfig(unsigned int configRegister, unsigned int configValue);

2. 步骤1：时钟初始化

IMX6ULL的UART参考时钟默认由外设时钟提供，本次配置基准时钟为80MHz，预分频1分频（即参考时钟=80MHz）：

/**
* @brief UART时钟初始化：80MHz基准时钟，1分频
*/
void uart_clk_init(void) {
// 配置UART1所属的外设时钟为80MHz（具体寄存器需参考IMX6ULL时钟树）
CCM->CSCDR1 &= ~(0x1F << 6); // 清除原有分频值
CCM->CSCDR1 |= (0x00 << 6); // 1分频，UART参考时钟=80MHz
}

3. 步骤2：引脚初始化

IMX6ULL的引脚是“多功能复用”的，需将指定引脚配置为UART1_TX/RX功能，并设置电气属性：

/**
* @brief UART1引脚初始化：TX->GPIO1_IO04，RX->GPIO1_IO05
*/
void uart_pin_init(void) {
// 1. 配置TX引脚（GPIO1_IO04 → UART1_TX）
IOMUXC_SetPinMux(IOMUXC_UART1_TX_DATA_UART1_TX, 0); // 复用为UART1_TX
// 配置电气属性：上拉、100MHz速率、驱动能力等（0x10B0为标准配置）
IOMUXC_SetPinConfig(IOMUXC_UART1_TX_DATA_UART1_TX, 0x10B0);

// 2. 配置RX引脚（GPIO1_IO05 → UART1_RX）
IOMUXC_SetPinMux(IOMUXC_UART1_RX_DATA_UART1_RX, 0); // 复用为UART1_RX
IOMUXC_SetPinConfig(IOMUXC_UART1_RX_DATA_UART1_RX, 0x10B0);
}

参数说明：

• IOMUXC_SetPinMux第二个参数0：使用默认复用模式，无额外配置；
• 0x10B0：二进制0001 0000 1011 0000，核心配置：
  • 位[15:12]：0001 → 引脚速率100MHz；
  • 位[11:8]：1011 → 上拉22KΩ；
  • 位[7:0]：0000 → 无开漏、无中断等。

4. 步骤3：UART寄存器配置

核心是配置UART的工作模式（8位数据、1位停止位、无校验、115200波特率）：

/**
* @brief UART1寄存器配置：8N1（8位数据+1位停止+无校验），115200波特率
*/
void uart_reg_init(void) {
// 1. 软件复位UART（UCR2[0]置1，保持4个时钟周期后清0）
UART1[UART_UCR2/4] |= (1 << 0);
while((UART1[UART_UCR2/4] & (1 << 0))); // 等待复位完成

// 2. 配置UCR1：开启UART总开关（UCR1[0] = 1）
UART1[UART_UCR1/4] |= (1 << 0);

// 3. 配置UCR2：8位数据、1位停止、无校验、使能收发、忽略RTS流控
UART1[UART_UCR2/4] |= (1 << 1); // RXEN=1，使能接收
UART1[UART_UCR2/4] |= (1 << 2); // TXEN=1，使能发送
UART1[UART_UCR2/4] &= ~(1 << 5); // WS=0，8位数据位
UART1[UART_UCR2/4] &= ~(1 << 6); // STPB=0，1位停止位
UART1[UART_UCR2/4] &= ~(1 << 8); // PREN=0，关闭奇偶校验
UART1[UART_UCR2/4] |= (1 << 14); // IRTS=1，忽略RTS流控

// 4. 配置UCR3：RXDMUXSEL=1（IMX6ULL必须置1，多路复用模式）
UART1[UART_UCR3/4] |= (1 << 2);

// 5. 配置UFCR：RFDIV=0（参考时钟1分频）
UART1[UART_UFCR/4] &= ~(0x7 << 7); // 清除原有值
UART1[UART_UFCR/4] |= (0x0 << 7); // 1分频

// 6. 配置波特率：115200（参考时钟80MHz）
// 公式：BaudRate = Ref Freq/(16 * ((UBMR + 1)/(UBIR + 1)))
// 推导：(UBMR+1)/(UBIR+1) = 80000000/(16*115200) ≈ 43.4028
// 选取UBIR=15，UBMR=659（(659+1)/(15+1)=660/16=41.25，接近目标值）
UART1[UART_UBIR/4] = 15;
UART1[UART_UBMR/4] = 659;
}

5. 步骤4：收发函数实现

基于寄存器封装putc（发单个字符）、puts（发字符串）、getc（收单个字符）：

/**
* @brief 发送单个字符
* @param d 要发送的字符
*/
void putc(unsigned char d) {
// 轮询TXDC位（USR2[3]），直到发送完成
while ((UART1[UART_USR2/4] & (1 << 3)) == 0);
UART1[UART_UTXD/4] = d; // 写入发送寄存器，硬件自动发送
}

/**
* @brief 发送字符串（自动加换行）
* @param pStr 字符串首地址
*/
void puts(const char *pStr) {
while (*pStr) { // 遍历字符串，直到'\\0'
putc(*pStr++);
}
putc('\\n'); // 末尾加换行
}

/**
* @brief 接收单个字符（阻塞式）
* @return 接收到的字符
*/
unsigned char getc(void) {
// 轮询RDR位（USR2[0]），直到有数据就绪
while ((UART1[UART_USR2/4] & (1 << 0)) == 0);
return (unsigned char)(UART1[UART_URXD/4] & 0xFF); // 读取8位数据
}

核心逻辑：

• 发送：通过TXDC位判断上一个字符是否发送完成，避免数据覆盖；
• 接收：通过RDR位判断是否有新数据，阻塞等待直到接收到数据。

6. 步骤5：移植stdio库（支持printf/scanf）

默认情况下，IMX6ULL的裸机程序无法使用printf/scanf，需移植stdio库，步骤如下：

（1）添加空的raise函数

在uart.c中添加以下函数（stdio库依赖，缺失会编译报错）：

// 用于兼容stdio库，函数体为空即可
void raise(int n) {
(void)n; // 避免未使用参数警告
}

（2）修改汇编文件扩展名

将启动文件project/start.s改为project/start.S：

• .s：直接编译，不做预处理；
• .S：先预处理（支持#include、#define等），再编译，适配裸机工程的宏定义。

（3）修改Makefile

添加stdio库的头文件/源码路径，链接gcc库：

# 目标文件
target = imx6ull_uart
# 编译器路径（根据自己的交叉编译器调整）
cc = arm-linux-gnueabihf-gcc
ld = arm-linux-gnueabihf-ld
objcopy = arm-linux-gnueabihf-objcopy
objdump = arm-linux-gnueabihf-objdump

# 1. 添加stdio相关路径
incdirs = bsp imx6ull stdio/include # 头文件目录
srcdirs = bsp project stdio/lib # 源码目录
# 2. 指定gcc库路径（根据自己的编译器路径调整）
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

# 编译选项：Wall（开启警告）、thumb模式、不使用标准库、禁用内置函数
CFLAGS = -Wall -Wa,-mimplicit-it=thumb -nostdlib -fno-builtin

# 收集所有源码文件
srcfiles = $(foreach dir, $(srcdirs), $(wildcard $(dir)/*.c $(dir)/*.S))
objfiles = $(patsubst %.c, %.o, $(patsubst %.S, %.o, $(srcfiles)))

# 链接生成elf文件
$(target).elf: $(objfiles)
$(ld) -Timx6ull.lds -o $@ $^ $(libpath)

# 编译c文件
%.o: %.c
$(cc) $(CFLAGS) -I$(incdirs) -c -o $@ $<

# 编译汇编文件
%.o: %.S
$(cc) $(CFLAGS) -I$(incdirs) -c -o $@ $<

# 生成bin文件
bin: $(target).elf
$(objcopy) -O binary $< $(target).bin

# 清理
clean:
rm -rf $(objfiles) $(target).elf $(target).bin

7. 测试代码

在main.c中调用封装的函数，测试UART通信：

#include "uart.h"

int main(void) {
unsigned char recv_data;

// 初始化UART
uart_clk_init();
uart_pin_init();
uart_reg_init();

// 发送测试字符串
puts("IMX6ULL UART Test Start!");
puts("Please input a char:");

while (1) {
recv_data = getc(); // 接收字符
putc(recv_data); // 回显字符
puts(" Recv Success!"); // 提示接收成功
}

return 0;
}

四、关键注意事项

五、总结

本文从“概念→硬件→代码”完整讲解了IMX6ULL UART串口通信的实现过程，核心关键点：

• 理解UART的异步串行通信本质，掌握帧格式、波特率等核心参数；
• 硬件上重点关注CH340的USB转TTL功能，避免电源选型错误；
• 代码上核心是寄存器配置（尤其是波特率、收发使能）和stdio移植；
• 轮询方式是裸机UART最基础的实现方式，后续可扩展中断/ DMA方式。