基於Linux的tty架構及UART驅動詳解
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一、模組硬體學習
1.1. Uart介紹
通用非同步收發傳輸器（Universal Asynchronous Receiver/Transmitter)，通常稱為UART，是一種非同步收發傳輸器，是電腦硬體的一部分。它將要傳輸的資料在串列通訊與並行通訊之間加以轉換。作為把並行輸入訊號轉成串列輸出訊號的晶片，UART 通常被集成於其他通訊介面的連上。
UART 是一種通用串列數據匯流排，用於非同步通訊。該匯流排雙向通訊，可以實現全雙工傳輸和接收。在嵌入式設備中，UART 用於主機與輔助設備通訊，如汽車音與外接AP 之間的通訊，與PC 機通訊包括與監控調試器和其它器件，如EEPOM通訊。
1.1.1. 通訊協議
UART作為非同步串口通訊協議的一種，工作原理是將傳輸數據的每個字元一位接一位地傳輸。
其中各位的意義如下：
-
起始位：先發出一個邏輯」0」的訊號，表示傳輸字元的開始。
-
數據位：緊接著起始位之後。數據位的個數可以是5、6、7、8等，構成一個字元。通常採用ASCII碼。從最低位開始傳送，靠時鐘定位。
-
奇偶校驗位：數據位加上這一位後，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：它是一個字元數據的結束標誌。可以是1位、1.5位、2位的高電平。
由於數據是在傳輸線上定時的，並且每一個設備有其自己的時鐘，很可能在通訊中兩台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，並且提供電腦校正時鐘同步的機會。適用於停止位的位數越多，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：處於邏輯「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）。一個符號代表的資訊量（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字元/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取樣，以提取出非同步的串列數據。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，線路處於高電位；當收到發送數據指令後，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，數據發送完畢後，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，線路處於高電位；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，數據接收完畢後，接著接收並比較奇偶檢驗位是否正確，如果正確則通知則通知後續設備準備接收數據或存入快取。
由於UART是非同步傳輸，沒有傳輸同步時鐘。為了能保證數據傳輸的正確性，UART採用16倍數據波特率的時鐘進行取樣。每個數據有16個時鐘取樣，取中間的取樣值，以保證取樣不會滑碼或誤碼。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，接收端也能正確地取樣到數據。
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，取樣的值為「0」表示開始位；當計數器為24=161+8時，取樣的值為bit0數據；當計數器的值為40=162+8時，取樣的值為bit1數據；依次類推，進行後面6個數據的取樣。如果需要進行奇偶校驗位，則當計數器的值為152=169+8時，取樣的值為奇偶位；當計數器的值為168=1610+8時，取樣的值為「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指的是一種串列通訊協議，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，作用於數據的傳輸通路上，它並不含對數據的處理方式。對應的物理器件有RS232或者RS485驅動晶片，將CPU經過UART傳送過來的電壓訊號驅動成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 介面是採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，抗雜訊干擾性強。
- RS232介面使用一根訊號線和一根訊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，所以抗雜訊干擾性弱。
（2）傳輸距離 - RS485 介面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）通訊能力 - RS485介面在匯流排上最多可以連接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介面方便的建立起設備網路。
- RS232隻允許一對一通訊。
（4）傳輸速率 - RS232傳輸速率較低，在非同步傳輸時，波特率為20Kbps.
- RS485的數據最高傳輸速率為10Mbps.
(5) 訊號線 - 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 合併起來，分時復用。
- RS232隻允許一對一通訊
（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中任何一條訊號的電壓均為負邏輯關係。即：邏輯「1」-5-15V;邏輯「0」，+5~+15V，雜訊容限為2V。即要求接收器能識別低至+3V的訊號作為邏輯「0」，高到-3V的訊號的訊號作為邏輯「1」。
- RS232介面的訊號電平值較高，易損壞介面電路的晶片，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介面訊號電平比RS232降低了，就不易損壞介面電路的晶片，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，或者兩台電腦的處理速度不同，如台式機與單片機之間的通訊，接收端數據緩衝區以滿，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」的訊號，發送端就停止發送，直到收到「可以繼續發送」的訊號再發送數據。
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：硬體流控（包括RTS/CTS、DTR/CTS等）和軟體流控制XON/XOFF（繼續/停止）。
1.1.5.1. 硬體流控
硬體流控制常用的有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。此訊號輸出對端設備，使用對端設備決定能否與本設備通訊。
DSR-數據裝置就緒（Data Set Ready)
低有效，此訊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訊。
RTS - 請求發送（數據）（Request To Send)
低有效，此訊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訊號來應答。
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(輸出訊號），連接到從機的CTS(輸入訊號）。
主機是CTS(輸入訊號），連接到從機的RTS(輸入訊號）。
-
1.主機的發送過程：
主機查詢主機的CTS腳訊號，此訊號連接到從機的RTS訊號，受從機控制。如果主機CTS訊號有效（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，並且在發送過程中要一直查詢CTS訊號是否為有效狀態。主機查詢到CTS無效時，則中止發送。
主機的CTS訊號什麼時候會無效呢？
從機在接收到主機發送的數據時，從機的接收模組的FIFO如果滿了，則會使從機RTS無效，也即主機的CTS訊號無效。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，那麼使主機RTS訊號有效（為低），即從機的CTS訊號有效。此時如果從機要發送，發送前會查詢從機的CTS訊號，如果有效，則開始發送。並且在發送過程中要一直查詢從機CTS訊號的有效狀態，如果無效則終止發送。是否有效由主機的RTS訊號決定。如果主機FIFO滿了，則使主機的RTS訊號無效，也即從機CTS訊號無效，主機接收中止。
1.1.5.2. 軟體流控
由於電纜的限制，在普通的控制通訊中一般不採用硬體流控制，而是使用軟體流控制。一般通過XON/XOFF來實現軟體流控制。常用方法是：當接收端的輸入緩衝區內數據量超過設定的高位時，就向數據發送端發送XOFF字元後就立即停止發送數據；當接收端的輸入緩衝區內數據量低於設定的低位時，就向數據發送端發送XON字元（十進位的17或Control-Q),發送端收到XON字元後就立即開始發送數據。一般可從設備配套源程式中找到發送端收到XON字元後就立即發送數據。一般可以從設備配套源程式中找到發送的是什麼位元組。
應注意，若傳輸的是二進位的數據，標誌字元也可能在數據流中出現而引起誤操作，這是軟體流控的缺陷，而硬體流控不會出現這樣的問題。
二、Linux serial框架
在Linux系統中，終端是一種字元型設備，它有多種類型，通常使用tty(Teletype)來簡稱各種類型的終端設備。對於嵌入式系統而言，最普遍採用的是Uart（Universal Asynchronous Receiver/Transmitter），串列埠，日常生活中簡稱埠
2.1. TTY驅動程式框架
2.1.1. TTY概念
2.1.1.1. 串口終端（/dev/ttyS*）
串口終端是使用電腦串口連接的終端設備。Linux把每個串列埠都看做是一個字元設備。這些串列埠所對應的設備名稱是/dev/ttySAC*;
2.1.1.2. 控制台終端（/dev/console）
在Linux系統中，電腦的輸出設備通常被稱為控制台終端，這裡特指printk資訊輸出到設備。/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，它直接與硬體相接觸，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 註冊的字元設備節點來訪問。
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體的格式。
接收數據的流程為:從tty硬體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，在這裡它被一個用戶獲取。
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，串口控制台（可選））等資訊，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的模組，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支援的串口數*/
struct console *cons; /*其對應的console,若該uart_driver支援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
實現控制台列印功能必須要註冊的結構體
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;
};
2.2.3. struct uart_state
每一個uart埠對應著一個uart_state，該結構體將uart_port與對應的circ_buf聯繫起來。uart_state有兩個成員在底層串口驅動會用到:xmit和port。用戶空間程式通過串口發送數據時，上層驅動將用戶數據保存在xmit;而串口發送中斷處理函數就是通過xmit獲取到用戶數據並將它們發送出去。串口接收中斷處理函數需要通過port將接收到的數據傳遞給線路規程層。
struct uart_state {
struct tty_port port;
enum uart_pm_state pm_state;
struct circ_buf xmit;
struct uart_port *uart_port; /*對應於一個串口設備*/
}；
2.2.4. struct uart_port
uart_port用於描述串口埠的I/O埠或I/O記憶體地址、FIFO大小、埠類型、串口時鐘等資訊。實際上，一個uart_port實現對應一個串口設備。
struct uart_port {
spinlock_t lock; /* port lock */
unsigned long iobase; /* in/out[bwl] */
unsigned char __iomem *membase; /* read/write[bwl] */
unsigned int (*serial_in)(struct uart_port *, int);
void (*serial_out)(struct uart_port *, int, int);
void (*set_termios)(struct uart_port *,
struct ktermios *new,
struct ktermios *old);
int (*handle_irq)(struct uart_port *);
void (*pm)(struct uart_port *, unsigned int state,
unsigned int old);
void (*handle_break)(struct uart_port *);
unsigned int irq; /* irq number */
unsigned long irqflags; /* irq flags */
unsigned int uartclk; /* base uart clock */
unsigned int fifosize; /* tx fifo size */
unsigned char x_char; /* xon/xoff char */
unsigned char regshift; /* reg offset shift */
unsigned char iotype; /* io access style */
unsigned char unused1;
#define UPIO_PORT (0)
#define UPIO_HUB6 (1)
#define UPIO_MEM (2)
#define UPIO_MEM32 (3)
#define UPIO_AU (4) /* Au1x00 and RT288x type IO */
#define UPIO_TSI (5) /* Tsi108/109 type IO */
unsigned int read_status_mask; /* driver specific */
unsigned int ignore_status_mask; /* driver specific */
struct uart_state *state; /* pointer to parent state */
struct uart_icount icount; /* statistics */
struct console *cons; /* struct console, if any */
#if defined(CONFIG_SERIAL_CORE_CONSOLE) || defined(SUPPORT_SYSRQ)
unsigned long sysrq; /* sysrq timeout */
#endif
upf_t flags;
#define UPF_FOURPORT ((__force upf_t) (1 << 1))
#define UPF_SAK ((__force upf_t) (1 << 2))
#define UPF_SPD_MASK ((__force upf_t) (0x1030))
#define UPF_SPD_HI ((__force upf_t) (0x0010))
#define UPF_SPD_VHI ((__force upf_t) (0x0020))
#define UPF_SPD_CUST ((__force upf_t) (0x0030))
#define UPF_SPD_SHI ((__force upf_t) (0x1000))
#define UPF_SPD_WARP ((__force upf_t) (0x1010))
#define UPF_SKIP_TEST ((__force upf_t) (1 << 6))
#define UPF_AUTO_IRQ ((__force upf_t) (1 << 7))
#define UPF_HARDPPS_CD ((__force upf_t) (1 << 11))
#define UPF_LOW_LATENCY ((__force upf_t) (1 << 13))
#define UPF_BUGGY_UART ((__force upf_t) (1 << 14))
#define UPF_NO_TXEN_TEST ((__force upf_t) (1 << 15))
#define UPF_MAGIC_MULTIPLIER ((__force upf_t) (1 << 16))
/* Port has hardware-assisted h/w flow control (iow, auto-RTS *not* auto-CTS) */
#define UPF_HARD_FLOW ((__force upf_t) (1 << 21))
/* Port has hardware-assisted s/w flow control */
#define UPF_SOFT_FLOW ((__force upf_t) (1 << 22))
#define UPF_CONS_FLOW ((__force upf_t) (1 << 23))
#define UPF_SHARE_IRQ ((__force upf_t) (1 << 24))
#define UPF_EXAR_EFR ((__force upf_t) (1 << 25))
#define UPF_BUG_THRE ((__force upf_t) (1 << 26))
/* The exact UART type is known and should not be probed. */
#define UPF_FIXED_TYPE ((__force upf_t) (1 << 27))
#define UPF_BOOT_AUTOCONF ((__force upf_t) (1 << 28))
#define UPF_FIXED_PORT ((__force upf_t) (1 << 29))
#define UPF_DEAD ((__force upf_t) (1 << 30))
#define UPF_IOREMAP ((__force upf_t) (1 << 31))
#define UPF_CHANGE_MASK ((__force upf_t) (0x17fff))
#define UPF_USR_MASK ((__force upf_t) (UPF_SPD_MASK|UPF_LOW_LATENCY))
unsigned int mctrl; /* current modem ctrl settings */
unsigned int timeout; /* character-based timeout */
unsigned int type; /* port type */
const struct uart_ops *ops;
unsigned int custom_divisor;
unsigned int line; /* port index */
resource_size_t mapbase; /* for ioremap */
struct device *dev; /* parent device */
unsigned char hub6; /* this should be in the 8250 driver */
unsigned char suspended;
unsigned char irq_wake;
unsigned char unused[2];
void *private_data; /* generic platform data pointer */
};
2.2.5. struct uart_ops
struct uart_ops涵蓋了驅動可對串口的所有操作
struct uart_ops {
unsigned int (*tx_empty)(struct uart_port *);
void (*set_mctrl)(struct uart_port *, unsigned int mctrl);
unsigned int (*get_mctrl)(struct uart_port *);
void (*stop_tx)(struct uart_port *);
void (*start_tx)(struct uart_port *);
void (*throttle)(struct uart_port *);
void (*unthrottle)(struct uart_port *);
void (*send_xchar)(struct uart_port *, char ch);
void (*stop_rx)(struct uart_port *);
void (*enable_ms)(struct uart_port *);
void (*break_ctl)(struct uart_port *, int ctl);
int (*startup)(struct uart_port *);
void (*shutdown)(struct uart_port *);
void (*flush_buffer)(struct uart_port *);
void (*set_termios)(struct uart_port *, struct ktermios *new,
struct ktermios *old);
void (*set_ldisc)(struct uart_port *, int new);
void (*pm)(struct uart_port *, unsigned int state,
unsigned int oldstate);
int (*set_wake)(struct uart_port *, unsigned int state);
/*
* Return a string describing the type of the port
*/
const char *(*type)(struct uart_port *);
/*
* Release IO and memory resources used by the port.
* This includes iounmap if necessary.
*/
void (*release_port)(struct uart_port *);
/*
* Request IO and memory resources used by the port.
* This includes iomapping the port if necessary.
*/
int (*request_port)(struct uart_port *);
void (*config_port)(struct uart_port *, int);
int (*verify_port)(struct uart_port *, struct serial_struct *);
int (*ioctl)(struct uart_port *, unsigned int, unsigned long);
#ifdef CONFIG_CONSOLE_POLL
int (*poll_init)(struct uart_port *);
void (*poll_put_char)(struct uart_port *, unsigned char);
int (*poll_get_char)(struct uart_port *);
#endif
};
2.3. 關鍵流程
2.3.1. 註冊流程
2.3.1.1. 註冊uart_driver
此介面在uart driver中調用，用來註冊uart_driver到kernel中，調用階段在uart driver的初始階段，例如：module_init(), uart_driver的註冊流程圖
註冊過程主要做了以下操作：
- 1、根據driver支援的最大設備數，申請n個uart_state空間，每一個uart_state都有一個uart_port。
- 2、分配一個tty_driver,並將uart_driver->tty_driver指向它。
- 3、對tty_driver進行設置，其中包括默認波特率、檢驗方式等，還有一個重要的ops,結構體tty_operation的註冊，它是tty核心與串口驅動通訊的介面。
- 4、初始化每一個uart_state的tty_port;
- 5、註冊tty_driver。
註冊uart_driver實際上是註冊tty_driver,與用戶空間打交道的工作完全交給tty_driver,這一部分是內核實現好的不需要修改
2.3.1.2. 添加uart_port
此介面用於註冊一個uart port 到uart driver上，通過註冊，uart driver就可以訪問對應的uart port,進行數據收發。該介面在uart driver中的probe函數調用，必須保證晚於uart_register_drver的註冊過程。
uart driver在調用介面前，要手動設置uart_port的操作uart_ops，使得通過調用uart_add_one_port介面後驅動完成硬體的操作介面註冊。uart添加port流程如圖3-4所示：
2.4. 數據收發流程
2.4.1. 打開設備（open操作）
open設備的大體流程如圖3-5所示:
2.4.2. 數據發送流程（write操作）
發送數據大體流程如圖3-6所示：
2.4.3. 數據接收流程（read操作）
接收數據的大體流程如圖3-7所示：
2.4.4. 關閉設備（close操作）
close設備的大體流程如圖3-8所示：
2.4.5. 註銷流程
2.4.5.1. 移除uart_port
此介面用於從uart driver上註銷一個uart port，該介面在uart driver中的remove函數中調用。uart移除port的流程如圖3-9所示:
2.4.5.2. 註銷uart_driver
此介面在uart driver中調用，用來從kernel中註銷uart_driver，調用階段在uart driver的退出階段，例如：module_exit(),uart driver的註銷流程如圖3.10所示
2.5. 使用rs485通訊
2.5.1. rs485和rs232的區別
uart(TTL-3.3V)/rs232(工業級 +-12V)是電壓驅動，rs485是電流驅動(能傳輸更遠的距離）
rS232用電平表示數據,使用2根線可實現全雙工，rs485用差分電平表示數據，因此必須用4根線實現全雙工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兩根線;
rs485半雙工: 將全雙工的A/B和X/Y合併起來分時復用；
rs485-de/re是給轉換器的一個控制訊號，對我們晶片來說，都是輸出；
2.5.2. rs485調試方法：
首先保證uart模組和相關gpio,電壓轉換晶片工作正常：
- a,保證uart tx/rx功能正常。
- b,用gpio-output來控制 de/re 相關的2個gpio,觀察 de/re的gpio輸出low/high是否正常
- c,在b的基礎上，單獨調試 rs485-tx/rs485-rx,單端調試是否pass.
模式1
2-gpio-normal-uart-rs485-halfduplex
(2個gpio獨立控制de/re, enable就是將相關gpio設置到active電平;不用uart控制器的rs485模式;uart控制器處於normal模式)
- a, 默認re-en, de-dis，默認rs485-rx
- b, 當要發送的時候，re-dis, de-enable, 然後uart-tx.
- c, tx完成之後，de-dis; re-en，進入默認的rs485-rx模式。
模式2
1-gpio-normal-uart-rs485-halfduplex
這個模式的前提條件，外設器件的 de/re必須是相反極性的，比如de是高電平有效，re是低電平有效，則可以用一個gpio,來控制 de/re，此時de/re一定是互斥的。
(1個gpio控制de/re, enable就是將相關gpio設置到active電平;不用uart控制器的rs485模式;uart控制器處於normal模式)
- a, re-en，進入rs485-rx模式 (re 通常是低電平有效，這一步就是 設置 re對應的gpio為低電平)
- b, 當要發送的時候，設置gpio:re-disable, de-enable, 然後uart-tx.(re 通常是低電平有效，這一步就是 設置 re對應的gpio為高電平)
- c, tx完成之後，de-disable; re-enable，進入默認的rs485-rx模式。(re 通常是低電平有效，這一步就是 設置 re對應的gpio為低電平)
模式3
rs485-software-halfduplex(de/re 獨立輸出)
(使能uart控制器的rs485模式; 通過uart模組內部reg來控制 de/re 訊號)
- a，使能uart控制器的 rs485模式，並按照電壓轉換晶片的特性，設置de/re polarity
- b, 設置rs485的模式為 sw-half-duplex, 設置 de-timing暫存器; 設置 de/re turnaround 暫存器。
- c, 默認為rs485-rx模式，設置 de-dis/re-en
- d, 當要tx的時候，設置 de-en/re-dis
- e, 發送完成，設置 de-dis/re-en
模式4
rs485-hardware-halfduplex(de/re 獨立輸出)
基本配置同模式3，但是設置 rs485模式為 hardware-halfduplex模式
- a, 只要設置 de-en/rx-en 都為1，然後就不用管了，硬體實現半雙工切換。
模式5：
使用純硬體的辦法實現RS485半雙工功能，電路如圖所示：
接收：
默認沒有數據時，UART_TX為高電平，三極體導通，485晶片RE低電平使能，RO接收數據使能，此時從485AB口收到什麼數據就會通過RO通道傳到MCU，完成數據接收過程。
發送：
當發送數據時，UART_TX會有一個下拉的電平，表示開始發送數據，此時三極體截止，DE為高電平發送使能。當發送數據『0』時，由於DI口連接地，此時數據『0』就會傳輸到AB口 A-B<0,傳輸『0』，完成了低電平的傳輸。當發送『1』時，此時三極體導通，按理說RO使能，此時由於還處在發送數據中，這種狀態下485處於高阻態，此時的狀態通過A上拉B下拉電阻決定，此時A-B>0傳輸『1』，完成高電平的傳輸。
3. 模組詳細設計
3.1. 關鍵函數介面
3.1.1. uart_register_driver
/*功能： uart_register_driver用於串口驅動uart_driver註冊到內核(串口核心層）中，通常在模組初始化函數調用該函數。
*參數：drv:要註冊的uart_driver
*返回值：成功，返回0；否則返回錯誤碼
*/
int uart_register_driver(struct uart_driver *drv)
3.1.2. uart_unregister_driver
/*功能：uart_unregister 用於註銷我們已註冊的uart_driver,通常在模組卸載函數調用該函數，
*參數 : drv:要註銷的uart_driver
*返回值：成功返回0，否則返回錯誤碼
*/
void uart_unregister_driver(struct uart_driver *drv)
3.1.3. uart_add_one_port
/*功能：uart_add_one_port用於為串口驅動添加一個串口埠，通常在探測到設備後(驅動的設備probe方法)調用該函數
*參數：
* drv:串口驅動
* port:要添加的串口埠
*返回值：成功，返回0；否則返回錯誤碼
*/
int uart_add_one_port(struct uart_driver *drv,struct uart_port *port)
3.1.4. uart_remove_one_port
/*功能：uart_remove_one_port用於刪除一個已經添加到串口驅動中的串口埠，通常在驅動卸載時調用該函數
*參數：
* drv:串口驅動
* port:要刪除的串口埠
*返回值：成功，返回0；否則返回錯誤碼
*/
int uart_remove_one_port(struct uart_driver *drv,struct uart_port *port)
3.1.5. uart_write_wakeup
/*功能：uart_write_wakeup喚醒上層因串口埠寫數據而堵塞的進程，通常在串口發送中斷處理函數中調用該函數
*參數：
* port: 需要喚醒寫堵塞進程的串口埠
*/
void uart_write_wakeup(struct uart_port *port)
3.1.6. uart_suspend_port
/*功能：uart_suspend_port用於掛起特定的串口埠
*參數：
* drv:要掛起的串口埠鎖所屬的串口驅動
* port:要掛起的串口埠
*返回值：成功返回0；否則返回錯誤碼
*/
int uart_suspend_port(struct uart_driver *drv, struct uart_port *port)
3.1.7. uart_resume_port
/*功能：uart_resume_port用於恢復某一已掛起的串口
*參數：
* drv:要恢復的串口埠所屬的串口驅動
* port:要恢復的串口埠
*返回值：成功返回0；否則返回錯誤碼
*/
int uart_resume_port(struct uart_driver *drv, struct uart_port *port)
3.1.8. uart_get_baud_rate
/*功能：uart_get_baud_rate通過解碼termios結構體來獲取指定串口的波特率
*參數：
* port：要獲取波特率的串口埠
* termios:當前期望的termios配置(包括串口波特率)
* old:以前的termios配置，可以為NULL
* min:可以接受的最小波特率
* max:可以接受的最大波特率
* 返回值：串口波特率
*/
unsigned int uart_get_baund_rate(struct uart_port *port, struct ktermios *termios, struct ktermios *old,unsigned int min, unsigned int max)
3.1.9. uart_get_divisor
/*功能：uart_get_divisor 用於計算某一波特率的串口時鐘分頻數(串口波特率除數）
*參數：
* port：要計算分頻數的串口埠
* baud：期望的波特率
*返回值：串口時鐘分頻數
*/
unsigned int uart_get_divisor(struct uart_port *port, unsigned int baund)
3.1.10. uart_update_timeout
/*功能：uart_update_timeout用於更新（設置）串口FIFO超出時間
*參數：
* port：要更新超時間的串口埠
* cfalg：termios結構體的cflag值
* baud：串口的波特率
*/
void uart_update_timeout(struct uart_port *port,unsigned int cflag, unsigned int baud)
3.1.11. uart_insert_char
/*功能：uart_insert_char用於向uart層插入一個字元
*參數：
* port：要寫資訊的串口埠
* status：RX buffer狀態
* overrun：在status中的overrun bit掩碼
* ch：需要插入的字元
* flag：插入字元的flag：TTY_BREAK,TTY_PSRIYY, TTY_FRAME
*/
void uart_insert_char(struct uart_port *port, unsigned int status, unsigned int overrun,unsigned int ch, unsigned int flag)
3.1.12. uart_console_write
/*功能：uart_console_write用於向串口埠寫一控制台資訊
*參數：
* port：要寫資訊的串口埠
* s:要寫的資訊
* count：資訊的大小
* putchar：用於向串口埠寫字元的函數，該函數有兩個參數：串口埠和要寫的字元
*/
Void uart_console_write(struct uart_port *port,const char *s, unsigned int count,viod(*putchar)(struct uart_port*, int))
4. 模組使用說明
4.1. 串口編程
4.1.1. 串口控制函數
| 屬性 | 說明 |
|---|---|
| tcgetatrr | 取屬性（termios結構） |
| tcsetarr | 設置屬性（termios結構） |
| cfgetispeed | 得到輸入速度 |
| cfsetispeed | 得到輸出速度 |
| cfstospeed | 設置輸出速度 |
| tcdrain | 等待所有輸出都被傳輸 |
| tcflow | 掛起傳輸或接收 |
| tcflush | 刷請未決輸出和/或輸入 |
| tcsendbreak | 送BREAK字元 |
| tcgetpgrp | 得到前台進程組ID |
| Tcsetpgrp | 設置前台進程組ID |
4.1.2. 串口配置流程
- (1) 保持原先串口配置，使用tegetatrr(fd, &oldtio);
struct termious newtio, oldtio;
tegetattr(fd, &oldtio);
- (2) 激活選項有CLOCAL和CREAD，用於本地連接和接收使用
newtio.cflag |= CLOCAL|CREAD;
- (3) 設置波特率
newtio.c_cflag = B115200;
- (4) 設置數據位，需使用掩碼設置
newtio.c_cflag &= ~CSIZE;
Newtio.c_cflag |= CS8;
- (5) 設置停止位，通過激活c_cflag中的CSTOP實現。若停止位為1,則清除CSTOPB，若停止位為2，則激活CSTOP
newtio.c_cflag &= ~CSTOPB; /*停止位設置為1*/
Newtio.c_cflag |= CSTOPB; /*停止位設置為2 */
- (6) 設置流控
newtio.c_cfag |= CRTSCTS /*開啟硬體流控 */
newtio.c_cfag |= (IXON | IXOFF | IXANY); /*開啟軟體流控*/
- (7) 奇偶檢驗位設置，使用c_cflag和c_ifag.
設置奇校驗
newtio.c_cflag |= PARENB;
newtio.c_cflag |= PARODD;
newtio.c_iflag |= (INPCK | ISTRIP);
設置偶校驗
newtio.c_iflag |= (INPCK | ISTRIP);
newtio.c_cflag |= PARENB;
newtio.c_cflag |= ~PARODD;
- (8) 設置最少字元和等待時間，對於接收字元和等待時間沒有什麼特別的要求，可設置為0：
newtio.c_cc[VTIME] = 0;
newtio.c_cc[VMIN] = 0;
- (9) 處理要寫入的引用對象
tcflush函數刷清(拋棄）輸入緩衝（終端程式已經接收到，但用戶程式尚未讀）或輸出緩衝（用戶程式已經寫，但未發送）。
int tcflash(int filedes, int quene)
quene數應當是下列三個常數之一:
*TCIFLUSH 刷清輸入隊列
*TCOFLUSH 刷清輸出隊列
*TCIOFLUSH 刷清輸入、輸出隊列
例如：
tcflush(fd, TCIFLUSH);
- (10) 激活配置，在完成配置後，需要激活配置使其生效。使用tcsetattr()函數：
int tcsetarr(int filedes, const struct termios *termptr);
opt 指定在什麼時候新的終端屬性才起作用，
*TCSANOW:更改立即發生
*TCSADRAIN:發送了所有輸出後更改才發生。若更改輸出參數則應使用此選項
*TCSAFLUSH:發送了所有輸出後更改才發生。更進一步，在更改發生時未讀的
所有輸入數據都被刪除（刷清）
例如：tcsetatrr(fd, TCSANOW, &newtio);
4.1.3. 使用流程
- （1）打開串口，例如"/dev/ttySLB0"
fd = open("/dev/ttySLB0",O_RDWR | O_NOCTTY | O_NDELAY);
O_NOCTTY：是為了告訴Linux這個程式不會成為這個埠上的「控制終端」。如果不這樣做的話，所有的輸入，比如鍵盤上過來的Ctrl+C中止訊號等等，會影響到你的進程。
O_NDELAY：這個標誌則是告訴Linux這個程式並不關心DCD訊號線的狀態，也就是不管串口是否有數據到來，都是非阻塞的，程式繼續執行。
- （2）恢復串口狀態為阻塞狀態，用於等待串口數據的讀入，用fcntl函數：
fcntl(fd,F_SETFL,0); //F_SETFL：設置文件flag為0，即默認，即阻塞狀態
- （3）接著測試打開的文件描述符是否應用一個終端設備，以進一步確認串口是否正確打開。
isatty(STDIN_FILENO);
- （4）讀寫串口
串口的讀寫與普通文件一樣，使用read，write函數
read(fd, buf ,8);
write(fd,buff,8);
4.1.4. Demo
以下給出一個測溫模組收取數據的例子
#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>
#include <fcntl.h>
#include <termios.h>
#include <stdio.h>
#include <string.h>
#include <unistd.h>
#include <log/log.h>
#include <stdlib.h>
#define UART_DEVICE "/dev/ttySLB1"
struct temp {
float temp_max1;
float temp_max2;
float temp_max3;
float temp_min;
float temp_mean;
float temp_enviromem;
char temp_col[1536];
};
int main(void)
{
int count, i, fd;
struct termios oldtio, newtio;
struct temp *temp;
temp = (struct temp *)malloc(sizeof(struct temp));
if (!temp) {
printf("malloc failed\n");
return -1;
}
char cmd_buf1[] = { 0xAA, 0x01, 0x04, 0x00, 0x06, 0x10, 0x05, 0x00, 0xBB};
char cmd_buf2[] = { 0xAA, 0x01, 0x04, 0x00, 0x00, 0xA0, 0x00, 0x03, 0xBB};
char cmd_buf3[] = { 0xAA, 0x01, 0x04, 0x00, 0x03, 0x10, 0x01, 0x00, 0xBB};
char read_buf[2000];
//-----------打開uart設備文件------------------
fd = open(UART_DEVICE, O_RDWR | O_NOCTTY);
if (fd < 0) {
printf("Open %s failed\n", UART_DEVICE);
return -1;
} else {
printf("Open %s successfully\n", UART_DEVICE);
}
//-----------設置操作參數-----------------------
tcgetattr(fd, &oldtio);//獲取當前操作模式參數
memset(&newtio, 0, sizeof(newtio));
//波特率=230400 數據位=8 使能數據接收
newtio.c_cflag = B230400 | CS8 | CLOCAL | CREAD | CSTOPB;
newtio.c_iflag = IGNPAR;
tcflush(fd, TCIFLUSH);//清空輸入緩衝區和輸出緩衝區
tcsetattr(fd, TCSANOW, &newtio);//設置新的操作參數
//printf("input: %s, len = %d\n", cmd_buf, strlen(cmd_buf));
//------------向urat發送數據-------------------
for (i = 0; i < 9; i++)
printf("%#X ", cmd_buf1[i]);
count = write(fd, cmd_buf1, 9);
if (count != 9) {
printf("send failed\n");
return -1;
}
usleep(500000);
memset(read_buf, 0, sizeof(read_buf));
count = read(fd, read_buf, sizeof(read_buf));
if (count > 0) {
for (i = 0; i < count; i++);
temp->temp_max1 = read_buf[7] << 8 | read_buf[6];
temp->temp_max2 = read_buf[9] << 8 | read_buf[8];
temp->temp_max3 = read_buf[11] << 8 | read_buf[10];
temp->temp_min = read_buf[13] << 8 | read_buf[12];
temp->temp_mean = read_buf[15] << 8 | read_buf[14];
printf("temp->temp_max1 = %f\n", temp->temp_max1 * 0.01);
printf("temp->temp_max2 = %f\n", temp->temp_max2 * 0.01);
printf("temp->temp_max3 = %f\n", temp->temp_max3 * 0.01);
printf("temp->temp_min = %f\n", temp->temp_min * 0.01);
printf("temp->temp_mean = %f\n", temp->temp_mean * 0.01);
} else {
printf("read temp failed\n");
return -1;
}
count = write(fd, cmd_buf3, 9);
if (count != 9) {
printf("send failed\n");
return -1;
}
usleep(365);
memset(read_buf, 0, sizeof(read_buf));
count = read(fd, read_buf, sizeof(read_buf));
if (count > 0) {
for (i = 0; i < count; i++);
temp->temp_enviromem = read_buf[7] << 8 | read_buf[6];
printf("temp->temp_enviromem = %f\n", temp->temp_enviromem * 0.01);
} else {
printf("read enviromem failed\n");
return -1;
}
count = write(fd, cmd_buf2, 9);
if (count != 9) {
printf("send failed\n");
return -1;
}
usleep(70000);
memset(read_buf, 0, sizeof(read_buf));
memset(temp->temp_col, 0, sizeof(temp->temp_col));
count = read(fd, read_buf, sizeof(read_buf));
printf("count = %d\n", count);
if (count > 0) {
for (i = 0; i < count - 7; i++)
temp->temp_col[i] = read_buf[i+6];
for (i = 0; i < 1536; i++)
{
if (!(i%10))
printf("\n");
printf("%#X ", temp->temp_col[i]);
}
} else {
printf("read temp colour failed\n");
return -1;
}
free(temp);
close(fd);
tcsetattr(fd, TCSANOW, &oldtio); //恢復原先的設置
return 0;
}
