第4章 UART串口通信

第4章 UART串口通信：从寄存器到printf重定向

UART串口，说白了就是嵌入式开发者的「眼睛」和「嘴巴」。你想想看，没有显示屏的时候，调试信息怎么打印？全靠它。我在做F1C200s项目时，第一件事就是把串口调通——不然连芯片有没有跑起来都不知道，那多尴尬。

这一章，我会带你从寄存器层面彻底搞懂UART。不是那种「调个库就完事」的玩法，而是亲手操作每一个关键寄存器。相信我，搞懂了这些，以后换任何芯片的UART，你都能快速上手。

4.1 UART模块寄存器详解

F1C200s的UART模块，其实继承自全志家经典的NS16550A架构。如果你玩过PC上的串口，应该对这个不陌生。它一共有三个UART控制器，我们最常用的是UART0，因为它的引脚默认就接在了调试口上。

嗯，这里要注意：UART0的引脚是PF2（TX）和PF4（RX）。别搞错了，我刚开始就吃过这个亏，焊好板子发现怎么都打印不出东西，查了半天发现是引脚配置错了。

关键寄存器就那么几个，我列个表给你看：

寄存器	偏移地址	作用
RBR/THR	0x00	读数据/写数据（同一地址）
IER	0x04	中断使能控制
IIR/FCR	0x08	中断标识/FIFO控制
LCR	0x0C	线路控制（数据格式）
MCR	0x10	调制解调器控制
LSR	0x14	线路状态（关键！）
DLL/DLH	0x00/0x04	波特率分频系数（需设置DLAB位）

这里面，我个人觉得最重要的就是LSR寄存器。它告诉你数据有没有收到、发送缓冲区空不空、有没有出错。说白了，串口通信的「握手」全靠它。

核心寄存器：LSR（线路状态寄存器）

bit 0: DR（Data Ready）—— 收到数据了没？1表示有数据可读

bit 5: THRE（Transmitter Holding Register Empty）—— 发送缓冲区空了吗？1表示可以发下一个字节

bit 6: TEMT（Transmitter Empty）—— 发送移位寄存器也空了？1表示完全发送完毕

4.2 波特率计算与配置

波特率，就是每秒传输多少位。常用的有9600、115200。F1C200s的UART时钟源是24MHz（APB总线时钟），我们需要通过分频来得到目标波特率。

计算公式很简单：

分频系数 = UART时钟频率 / (16 × 目标波特率)

举个例子，目标波特率115200：

分频系数 = 24000000 / (16 × 115200) = 13.02

取整后是13。那实际波特率就是：

实际波特率 = 24000000 / (16 × 13) = 115384

误差只有0.16%，完全没问题。我曾经遇到过用921600波特率的情况，分频系数算出来是1.63，取整后误差就大了，结果通信老是丢数据。所以啊，波特率越高，误差容忍度越低，这个要心里有数。

配置步骤是这样的：

设置LCR寄存器的bit 7（DLAB位）为1，允许访问分频寄存器
将分频系数的低8位写入DLL（0x00），高8位写入DLH（0x04）
清除DLAB位（写回0），恢复RBR/THR的正常访问

我的小技巧：配置波特率时，最好先读一下LCR的当前值，只修改DLAB位，其他位保持不变。这样不会意外改变数据格式设置。

4.3 发送与接收字符函数实现

好了，寄存器搞清楚了，波特率也配好了，接下来就是真刀真枪地写代码了。

发送一个字符，流程其实很简单：

检查LSR的bit 5（THRE），确保发送缓冲区为空
把要发送的字节写入THR寄存器

接收一个字符，反过来：

检查LSR的bit 0（DR），确保有数据可读
从RBR寄存器读取数据

代码实现如下：

// UART0基地址
#define UART0_BASE 0x01C25000

// 寄存器偏移
#define UART_RBR  (UART0_BASE + 0x00)  // 接收缓冲
#define UART_THR  (UART0_BASE + 0x00)  // 发送保持
#define UART_LSR  (UART0_BASE + 0x14)  // 线路状态

// 发送一个字符
void uart_putchar(char c)
{
    // 等待发送缓冲区空
    while (!(*(volatile unsigned int *)UART_LSR & (1 << 5)));
    // 写入数据
    *(volatile unsigned int *)UART_THR = c;
}

// 接收一个字符
char uart_getchar(void)
{
    // 等待数据到达
    while (!(*(volatile unsigned int *)UART_LSR & 0x01));
    // 读取数据
    return *(volatile unsigned int *)UART_RBR;
}

这里有个细节：RBR和THR是同一个地址。读的时候是RBR，写的时候是THR。硬件会自动区分，你不用担心。

注意：我在调试时发现，有些芯片的UART FIFO默认是开启的。如果你不关掉FIFO，发送和接收的行为会有点不一样。建议在初始化时，通过FCR寄存器（0x08）把FIFO关掉，等搞明白了再开。

4.4 printf重定向

有了uart_putchar，我们就可以做一件很酷的事——把printf重定向到串口。这样，你就可以用熟悉的printf来打印调试信息了。

在ARM裸机环境下，printf最终会调用一个底层函数来输出字符。这个函数通常是_fputc或者_write（取决于你用的C库）。我们只需要实现这个函数，把字符通过串口发出去就行。

以GCC工具链为例，重定向_write函数：

// 重定向_write，让printf输出到UART
int _write(int file, char *ptr, int len)
{
    int i;
    for (i = 0; i < len; i++)
    {
        uart_putchar(ptr[i]);
    }
    return len;
}

就这么简单。之后你在代码里写printf("Hello, F1C200s!\n")，它就会从串口输出了。

不过要注意，printf本身很「重」。它内部会处理格式化字符串、浮点数转换等，代码体积不小。如果你的Flash空间紧张，可以考虑用轻量级的实现，比如xprintf或者自己写一个简单的格式化输出函数。

我的建议：调试阶段放心用printf，产品阶段再考虑替换。毕竟开发效率也很重要，对吧？

4.5 完整初始化流程

最后，我把UART0的完整初始化代码贴出来。你把它放在系统启动的早期阶段调用，之后就可以愉快地打印了。

void uart_init(void)
{
    // 1. 使能UART0时钟（假设GPIO时钟已配置）
    // 具体时钟使能寄存器请参考数据手册
    
    // 2. 配置GPIO复用为UART功能
    // PF2 -> TX, PF4 -> RX
    // 设置GPIO复用寄存器
    
    // 3. 配置UART参数：115200, 8N1
    // 设置LCR：8位数据，1位停止位，无校验
    *(volatile unsigned int *)(UART0_BASE + 0x0C) = 0x03;
    
    // 4. 设置波特率115200
    // 先设置DLAB位
    *(volatile unsigned int *)(UART0_BASE + 0x0C) |= (1 << 7);
    // 写入分频系数13
    *(volatile unsigned int *)(UART0_BASE + 0x00) = 13;  // DLL
    *(volatile unsigned int *)(UART0_BASE + 0x04) = 0;   // DLH
    // 清除DLAB位
    *(volatile unsigned int *)(UART0_BASE + 0x0C) &= ~(1 << 7);
    
    // 5. 关闭FIFO（可选）
    *(volatile unsigned int *)(UART0_BASE + 0x08) = 0x00;
}

嗯，这里要提醒你一句：GPIO的复用配置别忘了。很多新手调不通串口，不是因为UART本身配错了，而是GPIO没切到UART功能上。F1C200s的PF2和PF4，需要把对应的复用寄存器设置为UART功能。

好了，这一章的内容就到这里。串口通信是嵌入式开发的「基本功」，搞懂了它，后面的I2C、SPI其实都是类似的套路——配置寄存器、检查状态、读写数据。下一章，我们会继续深入，看看怎么用中断方式来驱动UART，让CPU不再傻等。

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