本文由技術大拿：蒙工 投稿！

桂電畢業的資深嵌入式專家。

一、模塊硬件學習

1．1． Uart介紹

通用異步收發傳輸器（Universal Asynchronous Receiver／Transmitter），通常稱為UART，是一種異步收發傳輸器，是電腦硬件的一部分。它將要傳輸的資料在串行通信與并行通信之間加以轉換。

作為把并行輸入信號轉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 是一種通用串行數據總線，用于異步通信。該總線雙向通信，可以實現全雙工傳輸和接收。在嵌入式設備中，UART 用于主機與輔助設備通信，如汽車音與外接AP 之間的通信，與PC 機通信包括與監控調試器和其它器件，如EEPOM通信。

1．1．1． 通信協議

UART作為異步串口通信協議的一種，工作原理是將傳輸數據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：先發出一個邏輯”0”的信號，表示傳輸字符的開始。

數據位：緊接著起始位之后。數據位的個數可以是5、6、7、8等，構成一個字符。通常采用ASCII碼。從最低位開始傳送，靠時鐘定位。

奇偶校驗位：數據位加上這一位后，使得“1”的位數應為偶數（偶校驗）或奇數（奇校驗），以此來校驗數據傳送的正確性。

停止位：它是一個字符數據的結束標志。可以是1位、1．5位、2位的高電平。

由于數據是在傳輸線上定時的，并且每一個設備有其自己的時鐘，很可能在通信中兩臺設備間出現了小小的不同步。因此停止位不僅僅是表示傳輸的結束，并且提供計算機校正時鐘同步的機會。適用于停止位的位數越多，不同時鐘同步的容忍程度越大，但是數據傳輸率同時也越慢。

空閑位：處于邏輯“1”狀態，表示當前線路上沒有數據傳送。

Uart傳輸數據如圖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。表示每秒鐘傳送的符號數（symbol）。一個符號代表的信息量（比特數）與符號的階數有關。例如傳輸使用256階符號，每8bit代表一個符號，數據傳送速率為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 的接收和發送是按照相同的波特率進行收發的。波特率發生器產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行精確的采樣，以提取出異步的串行數據。根據給定的晶振時鐘和要求的波特率，可以算出波特率分頻計數值。

1．1．3． 工作原理

發送數據過程：空閑狀態，線路處于高電位；當收到發送數據指令后，拉低線路一個數據位的時間T，接著數據位按低位到高位依次發送，數據發送完畢后，接著發送奇偶檢驗位和停止位（停止位為高電位），一幀數據發送結束。

接收數據過程： 空閑狀態，線路處于高電位；當檢測到線路的下降沿（線路電位由高電位變為低電位）時說明線路有數據傳輸，按照約定的波特率從低位到高位接收數據，數據接收完畢后，接著接收并比較奇偶檢驗位是否正確，如果正確則通知則通知后續設備準備接收數據或存入緩存。

由于UART是異步傳輸，沒有傳輸同步時鐘。為了能保證數據傳輸的正確性，UART采用16倍數據波特率的時鐘進行采樣。每個數據有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一幀的數據位為8，這樣即使每一個數據有一個時鐘的誤差，接收端也能正確地采樣到數據。

UART的接收數據時序為：當檢測到數據下降沿時，表明線路上有數據進行傳輸，這時計數器CNT開始計數，當計數器，當計數器為8時，采樣的值為“0”表示開始位；當計數器為24＝161＋8時，采樣的值為bit0數據；當計數器的值為40＝162＋8時，采樣的值為bit1數據；依次類推，進行后面6個數據的采樣。如果需要進行奇偶校驗位，則當計數器的值為152＝169＋8時，采樣的值為奇偶位；當計數器的值為168＝1610＋8時，采樣的值為“1”表示停止位，一幀數據收發完成。

1．1．4． RS232與RS485

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

對應的物理器件有RS232或者RS485驅動芯片，將CPU經過UART傳送過來的電壓信號驅動成RS232或者RS485電平邏輯。

RS232使用3－15V有效電平，而UART，因為對電氣特性沒有規定，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，規定用電平表示數據，因此線路就是單線路的，兩根線能達到全雙工的目的；RS485使用差分電平表示數據，因此必須用兩根線才能達到傳輸數據的基本要求，要實現全雙工，必須使用4根線。

RS232和RS485的區別（1）抗干擾性

RS485 接口是采用平衡驅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。RS232接口使用一根信號線和一根信號返回線而構成供地的傳輸形式，這種共地傳輸容易產生共模干擾，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準值為1200 米（9600bps 時），實際上可達3000米。RS232 傳輸距離有限，最大傳輸距離標準值為50米，實際上也只能用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備網絡。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的數據最高傳輸速率為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邏輯關系。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，又因為與TTL電平不兼容故使用電平轉換電路方能與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

數據在兩個串口傳輸時，常常會出現丟失數據的現象，或者兩臺計算機的處理速度不同，如臺式機與單片機之間的通訊，接收端數據緩沖區以滿，此時繼續發送的數據就會丟失，流控制能解決這個問題，當接收端數據處理不過來時，就發出“不再接收”的信號，發送端就停止發送，直到收到“可以繼續發送”的信號再發送數據。

因此流控制可以控制數據傳輸的進程，防止數據丟失。PC機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／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–數據終端就緒（Data Terminal Ready）低有效，當為低時，表示本設備自身準備就緒。此信號輸出對端設備，使用對端設備決定能否與本設備通信。

DSR－數據裝置就緒（Data Set Ready）低有效，此信號由本設備相連接的對端設備提供，當為低時，本設備才能與設備端進行通信。

RTS － 請求發送（數據）（Request To Send）低有效，此信號由本設備在需要發送數據給對端設備時設置。當為低時，表示本設備有數據需要向對端設備發送。對端設備能否接收到本方的發送數據，則通過CTS信號來應答。

CTS －  接收發送（請求）（Clear To Send）低有效，對端設備能否接收本方所發送的數據，由CTS決定。若CTS為低，則表示對端的以準備好，可以接收本端發送數據。

以RTS／CTS流控制分析，分析主機發送／接收流程：

物理連接

主機的RTS（輸出信號），連接到從機的CTS（輸入信號）。主機是CTS（輸入信號），連接到從機的RTS（輸入信號）。

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

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

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來實現軟件流控制。常用方法是：當接收端的輸入緩沖區內數據量超過設定的高位時，就向數據發送端發送XOFF字符后就立即停止發送數據。

當接收端的輸入緩沖區內數據量低于設定的低位時，就向數據發送端發送XON字符（十進制的17或Control－Q），發送端收到XON字符后就立即開始發送數據。

一般可從設備配套源程序中找到發送端收到XON字符后就立即發送數據。一般可以從設備配套源程序中找到發送的是什么字節。

應注意，若傳輸的是二進制的數據，標志字符也可能在數據流中出現而引起誤操作，這是軟件流控的缺陷，而硬件流控不會出現這樣的問題。

二、Linux serial框架

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

對于嵌入式系統而言，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＊）

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

2．1．1．2． 控制臺終端（／dev／console）

在Linux系統中，計算機的輸出設備通常被稱為控制臺終端，這里特指printk信息輸出到設備。／dev／console是一個虛擬的設備，它需要映射到真正的tty上，比如通過內核啟動參數“console＝ttySCA0”就把console映射到了串口0

2．1．1．3． 虛擬終端（／dev／tty＊）

當用戶登錄時，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則是當前所使用虛擬終端的一個別名。

2．1．2． TTY架構分析

整個 tty架構大概的樣子如圖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動層，它直接與硬件相接觸，我們需要填充一個 struct uart＿ops 的結構體，另一層是上層 tty 層，包括 tty 核心以及線路規程，它們各自都有一個 Ops 結構，用戶空通過間是 tty 注冊的字符設備節點來訪問。

圖3．1tty架構圖

如圖3．2所示，tty設備發送數據的流程為：tty核心從一個用戶獲取將要發送給一個tty設備的數據，tty核心將數據傳遞給tty線路規程驅動，接著數據被傳到tty驅動，tty驅動將數據轉換為可以發給硬件的格式。

接收數據的流程為：從tty硬件接收到的數據向上交給tty驅動，接著進入tty線路規程驅動，再進入tty核心，在這里它被一個用戶獲取。

圖3．2 tty設備發送、接收數據流程2．2． 關鍵數據結構2．2．1． Struct uart＿driver

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

struct uart＿driver ｛
       struct module    ＊owner； 擁有該uart＿driver的模塊，一般為THIS＿MODULE
       const char        ＊driver＿name； 驅動串口名，串口設備名以驅動名為基礎
       const char        ＊dev＿name； 串口設備名
       int                 major； 主設備號
       int                 minor； 次設備號
       int                 nr； 該uart＿driver支持的串口數
       struct console    ＊cons； 其對應的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，窗口驅動層
struct tty＿driver  ＊tty＿driver； tty相關
2．2．2． struct console

實現控制臺打印功能必須要注冊的結構體

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；
｝；