当前位置：首页 > news >正文

ARM（9) - UART

news 2025/9/17 9:53:04

一、基本概念

1. 通信

嵌入式系统中的通信，指两个或两个以上主机（或设备）之间的数据交互，是设备间传递指令、数据的核心方式。

2. 异步通信与同步通信

类型	核心区别	关键特征	应用场景
异步通信	无统一时钟，靠起始 / 停止位同步	1. 每个数据帧含起始位（1 位）、数据位、校验位（可选）、停止位（1-2 位） 2. 收发双方需预先约定波特率、数据位等参数	UART（串口）、RS232/485
同步通信	有统一时钟（单独时钟线）	1. 数据连续传输，无起始 / 停止位，效率高 2. 时钟同步错误会导致数据错位	SPI、I2C、CAN

3. 串行通信与并行通信

类型	数据传输方式	优缺点对比	应用场景
串行通信	仅 1 根数据线（加地线）传输	✅ 优点：布线少、抗干扰强、传输距离远（如 100m+） ❌ 缺点：速度慢（逐位传输）	UART、RS485、SPI、I2C
并行通信	多根数据线（如 8/16 根）同时传输	✅ 优点：速度快（并行传多位） ❌ 缺点：布线多、干扰大、传输距离近（如 1m 内）	板内芯片互联（如 CPU 与 RAM）

4. 单工、半双工、全双工

类型	数据流向	关键特征	应用场景
单工	仅单向传输（固定发送→接收）	只能 A 发 B 收，无法反向传输	红外遥控、广播
半双工	双向传输，但同一时间仅单向	需切换收发状态（如 RS485 的 DE/RE 引脚），避免冲突	RS485 总线（多设备组网）
全双工	双向同时传输	有独立的发送线（TX）和接收线（RX），可同时收发	UART（串口）、USB、以太网

5. TTL、RS232、RS485

均为串行通信的电平标准，核心区别在于电平范围和传输能力：

TTL 电平：嵌入式芯片内部常用，高电平=3.3V/5V，低电平=0V；传输距离短（<10m），仅支持板内 / 近距离设备（如 CH340 输出的 TTL 信号）。
RS232 电平：逻辑1=-3~-15V，逻辑0=+3~+15V；传输距离约 15m，需 TTL-RS232 转换芯片（如 MAX232），常用于 PC 与设备短距离通信。
RS485 电平：采用差分传输（见下文），逻辑1=A-B>200mV，逻辑0=B-A>200mV；传输距离可达 1200m，支持 32 个设备组网，抗干扰强，常用于工业现场。

6. 差分传输

一种抗干扰的信号传输方式，核心原理：

用两根双绞线（A 线、B 线）传输相反信号（A 为正，B 为负）；
外界干扰会同时影响两根线，干扰信号相互抵消，最终接收端通过计算 A-B 的差值恢复原始信号；
典型应用：RS485、CAN 总线，是工业环境抗干扰的关键技术。

二、原理图分析（基于《IMX6ULL_MINI_V2.2 (Mini 底板原理图).pdf》）

模块：USB USART & USB POWER

⚠️ 重要注意事项：不建议使用 USB 接口作为电源供电，会导致板子发热严重，影响稳定性。

1. USB 接口（USB_TTL）

功能：作为 USB-TTL 转换的物理接口，连接 PC 的 USB 口与底板；
作用：实现 PC 与 IMX6ULL 芯片的 UART 通信（PC 端通过串口工具发送指令，底板接收并执行）。

2. CH340（U8 芯片）

核心功能：USB 转 TTL 串口芯片；
工作原理：将 PC 端 USB 协议的数据流，转换为 IMX6ULL 可识别的 TTL 电平串口数据（反之亦然）；
关键引脚：USB_D+、USB_D-（接 USB 接口），TXD、RXD（接 IMX6ULL 的 UART1 引脚）。

3. DCDC 电源稳压模块（U12、U13）

功能：对输入电源进行稳压、滤波；
核心作用：防抖、抗干扰，确保 CH340 和 UART 模块供电稳定，避免电源波动导致通信错误。

三、代码编写（基于《IMX6ULL 参考手册.pdf》）

1. 初始化配置

（1）时钟初始化

基准时钟：80MHz（IMX6ULL 默认高频时钟）；
预分频配置：1 分频（即 UART 模块的参考时钟 = 80MHz，无分频）。

（2）引脚初始化

功能：将 IMX6ULL 的特定引脚配置为 UART1 的收发引脚；

核心代码：

// 配置UART1_TX引脚（复用为UART1发送功能）
IOMUXC_SetPinMux(IOMUXC_UART1_TX_DATA_UART1_TX, 0);
// 配置引脚电气属性（上拉、驱动能力等，0x10B0为标准配置）
IOMUXC_SetPinConfig(IOMUXC_UART1_TX_DATA_UART1_TX, 0x10B0);// 配置UART1_RX引脚（复用为UART1接收功能）
IOMUXC_SetPinMux(IOMUXC_UART1_RX_DATA_UART1_RX, 0);
IOMUXC_SetPinConfig(IOMUXC_UART1_RX_DATA_UART1_RX, 0x10B0);

（3）寄存器配置（UART 核心寄存器）

寄存器名称	地址别名	核心功能	关键位说明
UART Receiver Register	UARTx_URXD	接收数据寄存器（只读）	[RX_DATA] (b0~b7)：存储接收到的 8 位数据（7 位模式下最高位为 0）
UART Transmitter Register	UARTx_UTXD	发送数据寄存器（只写）	[TX_DATA] (b0~b7)：写入需发送的数据，写入后硬件自动启动发送
UART Control Register 1	UARTx_UCR1	UART 总控制寄存器	[UARTEN] (b0)：UART 模块总开关（1 = 开启，0 = 关闭）
UART Control Register 2	UARTx_UCR2	收发控制与格式配置	[RXEN] (b1)：接收器使能（1 = 开启） [TXEN] (b2)：发送器使能（1 = 开启） [WS] (b5)：数据位（0=7 位，1=8 位） [STPB] (b6)：停止位（0=1 位，1=2 位） [PREN] (b8)：校验使能（0 = 关闭） [IRTS] (b14)：忽略 RTS 流控（1 = 忽略）
UART Control Register 3	UARTx_UCR3	多路复用模式配置	[RXDMUXSEL] (b2)：必须设为 1（IMX6ULL UART 默认工作于多路复用模式）
UART FIFO Control Register	UARTx_UFCR	FIFO 与时钟分频控制	[RFDIV] (b7~b9)：参考时钟分频（设为 000=1 分频，即参考时钟 = 80MHz）
UART Status Register 2	UARTx_USR2	收发状态寄存器	[TXDC] (b3)：发送完成标志（1 = 发送缓冲区空，可写新数据） [RDR] (b0)：接收就绪标志（1 = 接收缓冲区有数据，可读取）
UART BRM Incremental Reg	UARTx_UBIR	波特率增量寄存器	[INC] (b0~b15)：波特率计算参数（需与 UBMR 配合）
UART BRM Modulator Reg	UARTx_UBMR	波特率调制寄存器	[MOD] (b0~b15)：波特率计算参数

（4）波特率计算

公式：BaudRate = Ref Freq / (16 × ((UBMR + 1) / (UBIR + 1)))
已知条件：
- Ref Freq（参考时钟）：80MHz（基准时钟 80MHz，RFDIV=1 分频）；
- 目标波特率：常用 115200bps；
计算示例（115200bps）：
代入公式得：115200 = 80000000 / (16 × ((UBMR+1)/(UBIR+1)))
化简得：(UBMR+1)/(UBIR+1) = 80000000 / (16×115200) ≈ 43.4028
取整配置：UBMR=42，UBIR=0（此时 (42+1)/(0+1)=43，波特率约 115741bps，误差可接受）。

2. 核心函数实现（输入 / 输出）

（1）字符发送函数 `putc`

功能：发送 1 个 unsigned char 类型数据；
逻辑：循环判断USR2.TXDC（发送完成标志），直到发送缓冲区为空，再写入数据到UTXD；

void putc(unsigned char d)
{// 等待发送完成（TXDC=1表示缓冲区空）while ((UART1->USR2 & (1 << 3)) == 0); // 写入数据到发送寄存器，启动发送UART1->UTXD = d; 
}

（2）字符串发送函数 `puts`

功能：发送 1 个字符串（以\0结尾），并自动换行（发送\n）；

void puts(const char *pStr)
{// 遍历字符串，直到结束符'\0'while (*pStr) {putc(*pStr++); // 逐个字符发送}putc('\n'); // 发送换行符
}

（3）字符接收函数 `getc`

功能：接收 1 个 unsigned char 类型数据；
逻辑：循环判断USR2.RDR（接收就绪标志），直到接收缓冲区有数据，再读取URXD；

unsigned char getc(void)
{// 等待接收就绪（RDR=1表示有数据）while ((UART1->USR2 & (1 << 0)) == 0); // 读取接收数据（&0xFF确保只取低8位）return (unsigned char)(UART1->URXD & 0XFF); 
}

3. 移植标准输入输出（stdio）

需解决编译器依赖问题，确保printf/scanf能通过 UART 工作，步骤如下：

添加raise函数：在uart.c中添加空实现（避免链接报错）；
```
void raise(int n)
{// 函数体为空，仅用于解决stdio依赖
}
```
修改汇编文件扩展名：将project/start.s改为start.S（大写 S 表示需要预处理，小写 s 不预处理，避免编译错误）；

更新 Makefile：添加新源码路径和库路径，确保编译时包含stdio相关文件；

makefile

# 库路径（指定ARM-GCC的库位置）
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bsp、imx6ull、stdio/include）
incdirs = bsp imx6ull stdio/include
# 源码目录（包含bsp、project、stdio/lib）
srcdirs = bsp project stdio/lib# 链接命令（指定链接脚本imx6ull.lds）
$(ld) -Timx6ull.lds -o$(target).elf $^ $(libpath)
# 编译命令（开启警告、Thumb模式、无标准库）
$(cc) -Wall -Wa,-mimplicit-it=thumb -nostdlib -fno-builtin -c $(include) -o $@ $<

4. 实验验证

输入指令	开发板响应
`led on`	开发板 LED 灯点亮
`led off`	开发板 LED 灯熄灭
`beep on`	开发板蜂鸣器启动（发声）
`beep off`	开发板蜂鸣器停止（不发声）

实现逻辑：在主函数中循环调用getc读取指令，判断字符串后控制 LED（GPIO 输出高 / 低电平）和蜂鸣器（GPIO 控制）。

N 81

波特率

1.什么是单工，半双工，全双工通信？
这三种方式描述了通信中数据传输的方向性。
单工通信：数据只能单向传输，一端固定为发送端，另一端固定为接收端。例如：广播（收音机）、遥控器、传统的电视信号。
半双工通信：数据可以双向传输，但不能同时进行，需要轮流交替。某一时刻，一方发送，另一方接收。例如：对讲机、某些无线电设备。
全双工通信：数据可以同时进行双向传输。通信双方都拥有独立的发送器和接收器，可以同时发送和接收数据。例如：电话通话、手机通话、现代网络通信。
2. 什么是串行通信，什么是并行通信？
这两者描述了数据位的传输方式。
串行通信
：数据位在单一信道上按顺序依次传输。就像单车道的公路，车辆必须一辆接一辆地通过。
优点：抗干扰能力强、成本低（线缆数量少）、适合远距离传输。
缺点：相对并行通信，传输速率较低（但在现代高速技术下已非常出色）。
常见应用：USB、SATA、PCIe、网络通信（如以太网、Wi-Fi）、RS-232、RS-485等。
并行通信
：多个数据位通过多条并行信道同时传输。就像多车道的公路，多辆车可以并排同时行驶。
优点：在短距离内，理论上传输速率更高（因为一次可传输多位）。
缺点：成本高（线缆多）、各信道间容易产生串扰（Crosstalk）、抗干扰能力弱、信号同步困难，不适合远距离传输。
常见应用：计算机内部总线（如早期的IDE硬盘接口、并行打印机接口）、芯片内部总线等。
下面是串行通信与并行通信的对比表，可以帮你更直观地理解它们的区别：
特性串行通信并行通信
传输方式 数据位按顺序依次传输（1bit after another）多个数据位同时传输（multiple bits at once）
数据线数量 少（1条或1对差分线）多（如8位、16位、32位等）
传输速度 现代高速串行技术（如USB4, PCIe 5.0）速率极高短距离内理论上更快（一次传多位），但受制于时钟偏移和串扰
抗干扰能力 强（尤其差分串行，如RS-485）弱（多线间易串扰，信号同步难）
成本与复杂度 较低（线缆少，连接器小，布线简单）较高（线缆多，连接器大且复杂，布线麻烦）
传输距离 远（可达千米以上，如RS-485）近（通常小于30米）
典型应用 USB, SATA, PCIe, 以太网, RS-232, RS-485 早期打印机接口(LPT)、IDE硬盘接口、计算机内部总线
3. 什么是异步通信，什么是同步通信？
这两者描述了通信中收发双方如何协调数据传输的时序。
异步通信
：发送和接收设备有各自独立的时钟，不需要统一的时钟信号。通过特定的“起始位”和“停止位” 来标识每个数据帧的开始和结束，帧之间的时间间隔可以变化。
优点：对时钟同步要求不高，实现简单，灵活性好。
缺点：附加的起始位、停止位等开销降低了有效数据的传输效率。
常见应用：UART（常用于RS-232、RS-485）、HTTP/1.1（请求-响应模式）。
同步通信
：收发双方基于统一的时钟信号或同步字符（Sync Word）进行数据传输。数据通常以稳定的数据流或大的数据块形式连续传输。
优点：传输效率高（无额外开销），适合高速、大数据量传输。
缺点：硬件实现更复杂，需要时钟线或复杂的编码机制来保持同步。
常见应用：SPI、I2C、USB、SATA、光纤通道、PCIe。
4. 串口通信的归类
串口通信 特指通过串行接口进行的数据传输。
从传输方式看：它属于串行通信（数据逐位传输）。
从时序同步方式看：最常见的串口通信（如UART）属于异步通信。它依靠起始位和停止位来界定数据帧，无需独立的时钟信号线。
从数据传输方向看：标准的串口通信（如UART）通常包含独立的发送线（TXD）和接收线（RXD），因此支持全双工通信。
所以，串口通信通常是一种异步的、串行的通信方式，并且通常支持全双工。
5. 串口通信的常见电气标准
“电气标准”定义了信号在物理线路上的表示方式（电压水平、阻抗等），直接影响通信距离、抗干扰能力和速度。
标准逻辑电平表示特点与用途
TTL 逻辑1： +3.3V 或 +5V
逻辑0： 0V 板级电平。常用于单片机、开发板、模块内部芯片之间的短距离通信（通常几十厘米内）。直接与MCU的GPIO引脚电平兼容。
RS-232 逻辑1： -3V ~ -15V
逻辑0： +3V ~ +15V 传统串口标准。采用负逻辑和较高电压，抗干扰能力比TTL强。用于计算机COM口、工业设备调试等。传输距离通常不超过15米，速度较低。
RS-485 逻辑1： 两线电压差 +2V ~ +6V (B-A)
逻辑0： 两线电压差 -6V ~ -2V (B-A) 差分信号传输。抗共模干扰能力极强，传输距离远（可达1200米），支持多点总线网络（一主多从）。是工业环境中最常用的串行通信标准之一。

特性	串行通信	并行通信
传输方式	数据位按顺序依次传输（1bit after another）	多个数据位同时传输（multiple bits at once）
数据线数量	少（1条或1对差分线）	多（如8位、16位、32位等）
传输速度	现代高速串行技术（如USB4, PCIe 5.0）速率极高	短距离内理论上更快（一次传多位），但受制于时钟偏移和串扰
抗干扰能力	强（尤其差分串行，如RS-485）	弱（多线间易串扰，信号同步难）
成本与复杂度	较低（线缆少，连接器小，布线简单）	较高（线缆多，连接器大且复杂，布线麻烦）
传输距离	远（可达千米以上，如RS-485）	近（通常小于30米）
典型应用	USB, SATA, PCIe, 以太网, RS-232, RS-485	早期打印机接口(LPT)、IDE硬盘接口、计算机内部总线

标准	逻辑电平表示	特点与用途
TTL	逻辑1： +3.3V 或 +5V 逻辑0： 0V	板级电平。常用于单片机、开发板、模块内部芯片之间的短距离通信（通常几十厘米内）。直接与MCU的GPIO引脚电平兼容。
RS-232	逻辑1： -3V ~ -15V 逻辑0： +3V ~ +15V	传统串口标准。采用负逻辑和较高电压，抗干扰能力比TTL强。用于计算机COM口、工业设备调试等。传输距离通常不超过15米，速度较低。
RS-485	逻辑1：两线电压差 +2V ~ +6V (B-A) 逻辑0：两线电压差 -6V ~ -2V (B-A)	差分信号传输。抗共模干扰能力极强，传输距离远（可达1200米），支持多点总线网络（一主多从）。是工业环境中最常用的串行通信标准之一。