UART，全稱Universal Asynchronous Receiver Transmitter，通用異步收發器，俗稱串口。作為最常用的通信接口之一，從8位單片機到64位SoC，一般都會提供UART接口。
UART的常規構成及特性
芯片內部的UART模塊，一般由波特率發生器、發送和接收FIFO、硬件流控、中斷源等組件構成。常見特性如下：
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全雙工通信
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硬件流控
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可編程的字長（5/6/7/8比特）
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可編程的停止位（1/1.5/2比特）
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奇偶校驗
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可編程的FIFO中斷觸發水位
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可編程的波特率
UART硬件信號及應用
| 信號腳 |
方向 |
用途 |
| TXD |
輸出 | 串行數據輸出 |
| RXD | 輸入 |
串行數據輸入 |
| CTSN | 輸入 |
流控腳，允許發送，由對端設備控制，控制己方UART是否可以發送數據。低電平時，UART可以發送數據出去，高電平時，UART停止發送數據。 |
| RTSN | 輸出 |
流控腳，請求發送，連接到對端設備的CTSN腳上，通知對端設備是否可以發送數據。低電平時，通知對端設備可以發送，高電平時，通知對端設備停止發送。 |
圖1 帶硬件流控的UART連接
圖2 不帶硬件流控的UART連接
UART通信協議
UART通信時序圖如下
圖3 UART時序
數據線的空閒電平為邏輯“1”，要傳輸數據時：
起始位：先發出一個邏輯”0”的信號，表示傳輸數據的開始。
數據位：實際要傳輸的數據，數據位數可以是5、6、7、8，數據是從最低有效位（LSB）開始。
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。上圖中沒有特意標明。
停止位：數據的結束標志。可以是1/1.5/2位的空閒電平。Linux串口設備編程接口並不支持設置1.5位。
UART通信是異步的，並沒有單獨的時鍾來做同步，通信雙方需要約定好相同的波特率。UART中的波特率可以認為是比特率，即每秒傳輸的位數。一般波特率有9600，115200，460800等選項。
Linux中的UART驅動
Linux UART驅動框架如下圖所示，UART在用戶空間會生成名為/dev/ttyS*的設備（ttyS名稱是驅動給出的，可能因驅動而異），應用程序通過讀寫設備就可以進行UART通信。Linux內核實現了tty層和serial core，serial core會調用tty層的接口，注冊tty driver，同時提供了底層uart的抽象：
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定義struct uart_driver、struct uart_port、struct uart_ops等結構來描述底層uart驅動；
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提供相應接口 uart_register_driver、uart_add_one_port 等。
圖4 UART驅動框架
重點看一下struct uart_ops定義，如下圖所示，定義了UART硬件能完成的操作。
UART控制器驅動會定義uart_ops結構並實現對應的函數功能，當然並不是所有函數都需要實現，最為關鍵的幾個函數如下表所示。
| 函數 |
意義 |
| tx_empty |
查詢TX FIFO是否為空，為空則返回1，否則返回0 |
| stop_tx |
停止發送 |
| start_tx |
啟動發送 |
| stop_rx |
停止接收 |
| startup |
開啟UART |
| shutdown |
關閉UART |
| set_termios |
設置UART屬性，比如波特率、數據位數、停止位數、奇偶校驗、流控等。 |
struct uart_driver指代一個UART驅動，struct uart_port指代一個具體UART端口，它們與struct uart_ops的關系大致如下圖。
下面以某廠商的UART控制器驅動為例，看看驅動實現的整體流程。
UART控制器驅動，以platform_driver的形式呈現。
關鍵的uart_ops結構定義如下，uart_ops會關聯到一個或多個uart_port上。
UART控制器驅動的probe函數，完成初始化uart_port，並添加到serial core中。
Linux上串口的常規操作工具
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進行基本的操作。
| 目的 | 操作方法（以/dev/ttyS0為例） |
| 查詢串口 |
stty -F /dev/ttyS0 |
| 設置串口 |
stty -F /dev/ttyS0 speed 115200 cs8 -parenb -cstopb 115200波特率 8數據位 1停止位 無校驗 |
| 讀取數據 |
cat /dev/ttyS0 |
| 發送數據 |
echo "test data" > /dev/ttyS0 |
用戶空間的串口編程
打開/讀/寫串口，與普通字符設備一樣，open/read/write系統調用，不再贅述。如何設置串口屬性，Linux提供了專門的API。
struct termios options;//獲取參數tcgetattr(fd, &options);//波特率cfsetispeed(&options, B115200);cfsetospeed(&options, B115200);//8位數據位options.c_cflag &= ~CSIZE;options.c_cflag |= CS8;//無校驗options.c_cflag &= ~PARENB;//1位停止位options.c_cflag &= ~CSTOPB;//設置參數tcsetattr(fd, TCANOW, &options);
內核空間的UART外設編程？
從以上介紹可以看到，UART最終是以用戶空間的tty設備來呈現，應用程序可以操作tty設備完成UART通信。但是如果需要在內核中調用UART驅動呢，有沒有相關接口？
假設有一個UART接口的按鍵擴展芯片，既要通過UART獲取設備數據，又要將這些數據上報給input子系統。由於input子系統位於內核空間，那麼通過UART獲取數據的操作也應該在內核空間完成。那這個時候如何操作UART？如果最底層實現的UART操作函數有與tty和serial core解耦，那倒是可以考慮直接調用這些接口，但現實情況是一般都沒有完全解耦。如果是專門針對該應用場景重構UART底層驅動，那也是一種方法，也確實有人這樣做。
其它總線驅動，比如I2C驅動，針對掛在I2C總線上的設備，有i2c_driver框架實現設備驅動，有i2c_transfer函數接口來實現I2C通信。SPI驅動也是類似，有spi_driver框架和相應的SPI傳輸函數。所以在內核空間編寫I2C/SPI設備驅動很方便。
針對UART，如果是4.14之前的內核，那麼可以通過serio驅動來實現某設備與tty設備的掛鉤，進而可以調用tty層的讀寫函數，tty層的讀寫函數最後會調用到UART底層驅動。
serio是個抽象的總線，並不專指UART，而是Serial IO的統稱。serio驅動代碼用struct serio_bus表示serio總線，用struct serio表示serio控制器，用struct serio_drvier表示serio設備驅動。詳情可參考代碼：
drivers/input/serio/*drivers/input/touchscreen/touchit213.c
如果是4.14版本以後的內核，已經新增了serail dev bus，並提供了相應的設備驅動注冊函數：
serdev_device_driver_register(struct serdev_device_driver *, struct module *);使用方法可參考藍牙驅動：
drivers/bluetooth/hci_bcm.c------ END ------
作者：bigfish99
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