ARM架构——UART 串口通信详解

目录

一、串口通信基础概念

1.1 串行与并行通信

1.2 同步与异步通信

1.3 通信方式分类

1.4 串口通信标准

1.5 波特率与数据格式

二、硬件与开发环境

2.1 核心硬件连接

2.2 核心芯片作用

2.3 核心寄存器

三、代码实现

3.1 初始化过程

3.2 数据发送函数

3.3 数据接收函数

3.4 标准I/O库移植

3.4.1 移植步骤

3.4.2 移植验证

四、总结

一、串口通信基础概念

UART 属于异步串行全双工通信，我们先通过对比明确其定位：

1.1 串行与并行通信

• 串行通信：数据拆分成单个比特，按顺序在一根数据线上依次传输，占用资源少，结构简单。
• 并行通信：多个比特同时通过多根数据线传输，速度快但占用资源多。

1.2 同步与异步通信

• 同步通信：有专门的时钟线（SCL）控制数据传输节奏，如 I2C、SPI。
• 异步通信：没有共享时钟，收发双方依靠预先约定的波特率进行通信，UART 即属于此类。

1.3 通信方式分类

三种通信方式

1.4 串口通信标准

• TTL电平：直接使用芯片引脚电平，51单片机为5V，ARM为3.3V。传输距离限制在10-20米。
• RS232：逻辑1为-3V~-15V，逻辑0为+3V~+15V。采用三线制(收、发、地)，全双工，传输距离20-30米。
• RS485：采用差分信号传输(A、B两线)，通过电压差识别信息。半双工，抗干扰能力强，传输距离可达1200米。

1.5 波特率与数据格式

• 波特率：表示每秒传输的比特数（bps），常见值有9600、115200等。

波特率计算公式

• 数据格式：1个起始位 + 5～8个数据位 + 0～1个校验位 + 1～2个停止位

串口通信时序图

二、硬件与开发环境

2.1 核心硬件连接

UART 接口：使用 UART1 模块，引脚复用配置如下：

• TX 引脚：IOMUXC_UART1_TX_DATA_UART1_TX（对应开发板引脚）；
• RX 引脚：IOMUXC_UART1_RX_DATA_UART1_RX；
• 电源与地：通过 CH340 芯片实现 USB-TTL 转换，为串口通信提供电源（不建议直接用 USB 供电，避免板卡发热）。

2.2 核心芯片作用

• CH340（U8）：USB 转 TTL 芯片，实现 PC 端 USB 接口与开发板 UART 串口的协议转换；
• DCDC 电源稳压模块（U12/U13）：防抖、抗干扰，确保串口通信电源稳定。

2.3 核心寄存器

三、代码实现

3.1 初始化过程

void uart1_init(void)
{
// 1. 引脚复用配置：将引脚映射为UART1_TX/RX功能
IOMUXC_SetPinMux(IOMUXC_UART1_RX_DATA_UART1_RX, 0);
IOMUXC_SetPinMux(IOMUXC_UART1_TX_DATA_UART1_TX, 0);

// 2. 电气特性配置：上拉、驱动速度、压摆率等，确保信号稳定
IOMUXC_SetPinConfig(IOMUXC_UART1_RX_DATA_UART1_RX, 0x10B0);
IOMUXC_SetPinConfig(IOMUXC_UART1_TX_DATA_UART1_TX, 0x10B0);

// 3. UART软件复位，确保初始化状态干净
UART1->UCR2 &= ~(1 << 0);

// 4. UCR2寄存器配置
unsigned int t = 0;
t = UART1->UCR2;
t |= (1 << 14); // 忽略RTS流控（无需硬件流控）
t &= ~(1 << 8); // 禁用奇偶校验
t &= ~(1 << 6); // 1位停止位
t |= (1 << 5); // 8位数据位
t |= (1 << 2); // 使能发送器
t |= (1 << 1); // 使能接收器
UART1->UCR2 = t;

// 5. UCR3寄存器配置：必须设置为多路复用模式
UART1->UCR3 |= (1 << 2);

// 6. FIFO控制寄存器：参考时钟1分频（FIFO深度默认，无需开启额外配置）
UART1->UFCR &= ~(7 << 7);
UART1->UFCR |= (5 << 7);

// 7. 波特率配置（基于80MHz参考时钟，目标波特率115200）
UART1->UBIR = 999; // 增量寄存器
UART1->UBMR = 43401;// 调制器寄存器
UART1->UCR1 |= (1 << 0); // 使能UART1模块
}

3.2 数据发送函数

// 发送单个字符
void putc(unsigned char d)
{
while ((UART1->USR2 & (1 << 3)) == 0); // 等待TXDC=1（发送完成，缓冲区空）
UART1->UTXD = d; // 写入发送寄存器，触发发送
}

// 发送字符串
void puts(const char *s)
{
while (*s) // 循环发送每个字符，直到字符串结束符'\\0'
{
putc(*s++);
}
putc('\\n'); // 末尾添加换行
}

3.3 数据接收函数

unsigned char getc(void)
{
while ((UART1->USR2 & (1 << 0)) == 0); // 等待RDR=1（接收数据就绪）
return (unsigned char)UART1->URXD; // 读取接收寄存器数据
}

3.4 标准I/O库移植

底层收发函数（putc/getc）仅支持单个字符操作，实际开发中更需要 printf（格式化输出）和 scanf（格式化输入）。通过移植标准库 stdio，可直接使用这些接口。

3.4.1 移植步骤

（1）添加必要函数

stdio 库依赖 raise 函数（异常处理），需在 uart.c 中添加空实现（否则编译报错）：

void raise(int n)
{
// 空实现，仅满足链接需求
}

（2）修改汇编文件扩展名

若启动文件为 start.s，需改为 start.S（大写 S）—— 因为大写 S 会触发预处理，小写 s 直接编译，而 stdio 库依赖预处理流程。

（3）更新 Makefile

添加 stdio 库路径、头文件目录和源码目录，确保编译器能找到相关文件：

# 编译器与链接器配置
cc = arm-linux-gnueabihf-gcc
ld = arm-linux-gnueabihf-ld

# 目标文件
target = imx6ull_uart_demo

# stdio库路径（根据编译器安装路径调整）
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

# 头文件目录（包含stdio头文件）
incdirs = bsp imx6ull stdio/include

# 源码目录（包含stdio库源码）
srcdirs = bsp project stdio/lib

# 编译选项：禁用标准库、无内置函数、Thumb指令集
CFLAGS = -Wall -Wa,-mimplicit-it=thumb -nostdlib -fno-builtin

# 链接选项：使用自定义链接脚本
$(ld) -Timx6ull.lds -o$(target).elf $^ $(libpath)

3.4.2 移植验证

移植完成后，可直接使用 printf 和 scanf 实现数据交互，例如实现两数相加功能：

int main(void)
{
// 系统初始化
system_interrupt_init();
clock_init();
beep_init();
led_init();
key_init();
gpt1_init();
uart1_init();

int num1 = 0, num2 = 0;

while (1)
{
// 通过串口接收两个数字
scanf("%d %d", &num1, &num2);
// 计算和并输出结果
printf("%d + %d = %d\\n", num1, num2, num1 + num2);

// 其他功能可以在这里扩展
// 例如：控制LED或蜂鸣器
}

return 0;
}

实验效果：在串口调试工具中输入10 20，会立即输出10 + 20 = 30，证明 stdio 移植成功。

基于基础 UART 功能，我们可以实现更复杂的交互系统：

• 通过串口命令控制LED灯、蜂鸣器
• 实现简单的调试信息输出
• 与其他设备进行数据交换
• 通过串口升级固件

四、总结

本次基于 IMX6ULL 开发板，完成了 UART 串口通信的全流程开发：从核心概念入手，详解了底层寄存器配置、收发函数实现、stdio 库移植，最后通过外设控制实战验证了通信稳定性。UART 作为嵌入式开发的 “基本功”，掌握其原理和实现方式，能为后续更复杂的通信（如 Modbus、MQTT）打下基础。