4. UART驱动与串口通信：UART硬件原理、Linux串口驱动框架、tty驱动注册、波特率/数据位/校验位配置

大家好，我是你们的讲师。今天我们来聊聊UART驱动与串口通信。说实话，串口在POS机外设里太常见了——打印机、密码键盘、扫码枪，十有八九都走串口。我刚开始做驱动时，觉得串口嘛，不就是收收发发，能有多复杂？结果第一次调一个高速打印机，丢数据丢到怀疑人生。嗯，从那以后，我再也不敢小看UART了。

4.1 UART硬件原理：从物理层说起

UART，全称是Universal Asynchronous Receiver/Transmitter，通用异步收发器。说白了，它就是个串并转换器。CPU发过来的是并行数据，UART把它转成串行，一根线发出去；接收端再转回并行，交给CPU。

为什么叫异步？因为没有独立的时钟线。收发双方靠约定的波特率来同步。你想想看，两个人约好每秒说多少个字，一个说一个听，节奏对了才能沟通。

UART的物理层就两根数据线：TX（发送）和RX（接收）。再加上地线GND，三根线就能干活。我见过不少新手把TX和RX接反了，结果死活不通。嗯，这里要注意：TX接对方的RX，RX接对方的TX，交叉连接。

数据帧的结构是这样的：

• 起始位：1位，逻辑0，表示开始传输
• 数据位：5~8位，通常是8位，一个字节
• 校验位：可选，奇校验或偶校验
• 停止位：1位或2位，逻辑1，表示传输结束

举个例子，8N1表示8位数据、无校验、1位停止位。这是串口通信最常用的配置。我在项目中遇到过一台老式打印机，非要7E1（7位数据、偶校验、1位停止位），折腾了半天才发现是协议不匹配。

4.2 Linux串口驱动框架：三层结构

Linux的串口驱动，我习惯把它理解成三层结构：

• tty核心层：负责tty设备的注册、文件操作接口、线路规程
• tty驱动层：提供统一的ops接口，比如open、close、write、read
• UART驱动层：直接操作硬件寄存器，处理中断、DMA等

为什么会这样分层？说白了，就是为了复用。不同的串口硬件（16550、PL011、IMX UART等），只要实现了底层的UART ops，上层tty驱动几乎不用改。我做过一个项目，从IMX6换到RK3288，底层UART驱动重写，上层应用代码一行没动。

Linux内核里，UART驱动层通过struct uart_port和struct uart_ops来抽象硬件。uart_ops里最重要的回调函数有：

• startup：启动串口，申请中断、初始化硬件
• shutdown：关闭串口，释放资源
• set_termios：配置波特率、数据位、校验位等
• start_tx：启动发送
• stop_tx：停止发送

我记得第一次写UART驱动时，set_termios这个函数让我头疼了好几天。因为波特率计算涉及到时钟分频，不同芯片的算法还不一样。

4.3 tty驱动注册：让设备节点出现

tty驱动注册，说白了就是让系统里出现/dev/ttyS0、/dev/ttyS1这样的设备节点。用户程序才能通过open、read、write来操作串口。

注册流程大致如下：

1. 分配并初始化struct uart_driver
2. 调用uart_register_driver注册驱动
3. 分配并初始化struct uart_port
4. 调用uart_add_one_port添加端口

代码示例：

static struct uart_driver my_uart_driver = {
    .owner          = THIS_MODULE,
    .driver_name    = "my_uart",
    .dev_name       = "ttyMY",
    .major          = TTY_MAJOR,
    .minor          = 64,
    .nr             = 2,  // 支持2个端口
};

static int __init my_uart_init(void)
{
    int ret;
    ret = uart_register_driver(&my_uart_driver);
    if (ret)
        return ret;

    // 添加端口
    ret = uart_add_one_port(&my_uart_driver, &my_uart_port);
    if (ret)
        uart_unregister_driver(&my_uart_driver);
    return ret;
}

注册成功后，系统里就会出现/dev/ttyMY0和/dev/ttyMY1。嗯，这里要注意：dev_name字段决定了设备节点的名字前缀。

4.4 波特率/数据位/校验位配置：set_termios详解

配置串口参数，核心就是set_termios回调函数。用户程序通过tcsetattr系统调用，最终会触发这个函数。

我习惯把配置流程拆成三步：

1. 解析termios结构体：从struct ktermios中提取c_cflag标志位
2. 计算硬件参数：根据波特率计算分频系数，根据数据位/校验位设置寄存器
3. 更新硬件寄存器：把计算好的值写入UART控制寄存器

波特率计算是重点。以16550 UART为例，公式是：

divisor = UART_CLOCK / (16 * baud_rate)

其中UART_CLOCK是UART模块的输入时钟频率。我遇到过一个问题：板子上UART时钟是24MHz，但驱动里写死了16MHz，结果波特率怎么调都不对。查了两天才发现是时钟配置错了。

数据位和校验位的配置，主要通过c_cflag的这几个位来控制：

参数	c_cflag设置	说明
5位数据	CS5	很少用
6位数据	CS6	偶尔见
7位数据	CS7	老设备用
8位数据	CS8	最常用
无校验	无	PARENB不置位
奇校验	PARENB | PARODD	校验位为奇数个1
偶校验	PARENB	校验位为偶数个1

set_termios的实现示例：

static void my_uart_set_termios(struct uart_port *port,
                                struct ktermios *termios,
                                struct ktermios *old)
{
    unsigned int baud, cflag = termios->c_cflag;
    unsigned int divisor;

    // 计算波特率
    baud = uart_get_baud_rate(port, termios, old, 0, 115200);
    divisor = port->uartclk / (16 * baud);
    uart_update_timeout(port, cflag, baud);

    // 设置数据位
    switch (cflag & CSIZE) {
    case CS5: /* 5位 */ break;
    case CS6: /* 6位 */ break;
    case CS7: /* 7位 */ break;
    case CS8: /* 8位 */ break;
    }

    // 设置校验位
    if (cflag & PARENB) {
        if (cflag & PARODD)
            /* 奇校验 */;
        else
            /* 偶校验 */;
    } else {
        /* 无校验 */;
    }

    // 写入硬件寄存器
    writel(divisor, port->membase + UART_DLL);
    writel(divisor >> 8, port->membase + UART_DLM);
}

4.5 实战经验：串口调试三板斧

最后，分享几个我常用的调试方法：

• 示波器看波形：这是最直接的方法。看TX/RX引脚有没有电平变化，波特率对不对。我习惯先发一个0x55（二进制01010101），波形一目了然。
• 逻辑分析仪抓数据：比示波器便宜，能直接解析UART帧。我常用它来验证数据位和校验位配置是否正确。
• loopback测试：把TX和RX短接，发什么收什么。如果收发一致，说明硬件通路没问题。如果不对，八成是驱动配置有误。

嗯，UART驱动这部分内容就到这里。下一章我们会讲SPI驱动，那又是另一番天地了。记住一句话：串口通信，参数一致是王道，硬件通路是基础，驱动配置是关键。