如何实现UART串口在Linux环境下的编程应用？
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本文共计1653个文字，预计阅读时间需要7分钟。
UART，即通用异步收发传输器，是一种常用的串行通信接口。它广泛应用于从8位单片机到64位SoC的各种电子设备中，几乎每个设备都会提供UART接口。
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，全称UniversalAsynchronousReceiverTransmitter，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3UART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
LinuxUART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serialcore，serialcore会调用tty层的接口，注册ttydriver，同时提供了底层uart的抽象：
-
定义structuart_driver、structuart_port、structuart_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4UART驱动框架
重点看一下structuart_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TXFIFO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。
structuart_driver指代一个UART驱动，structuart_port指代一个具体UART端口，它们与structuart_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serialcore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/ttyS0speed115200cs8-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"testdata">/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serialcore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SerialIO的统称。serio驱动代码用structserio_bus表示serio总线，用structserio表示serio控制器，用structserio_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seraildevbus，并提供了相应的设备驱动注册函数：
serdev_device_driver_register(structserdev_device_driver*,structmodule*);
使用方法可参考蓝牙驱动：
drivers/bluetooth/hci_bcm.c
------END------
本文共计1653个文字，预计阅读时间需要7分钟。
UART，即通用异步收发传输器，是一种常用的串行通信接口。它广泛应用于从8位单片机到64位SoC的各种电子设备中，几乎每个设备都会提供UART接口。
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，全称UniversalAsynchronousReceiverTransmitter，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
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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
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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3UART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
LinuxUART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serialcore，serialcore会调用tty层的接口，注册ttydriver，同时提供了底层uart的抽象：
-
定义structuart_driver、structuart_port、structuart_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4UART驱动框架
重点看一下structuart_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TXFIFO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。
structuart_driver指代一个UART驱动，structuart_port指代一个具体UART端口，它们与structuart_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serialcore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/ttyS0speed115200cs8-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"testdata">/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serialcore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SerialIO的统称。serio驱动代码用structserio_bus表示serio总线，用structserio表示serio控制器，用structserio_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seraildevbus，并提供了相应的设备驱动注册函数：
serdev_device_driver_register(structserdev_device_driver*,structmodule*);
使用方法可参考蓝牙驱动：
drivers/bluetooth/hci_bcm.c
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