4. UART驱动移植与实战（串口控制台）

好，咱们进入第四章。这一章可以说是整个课程里最实用的一章——串口。你想想看，做嵌入式开发，串口就是你的眼睛和嘴巴。没有串口，你连系统跑没跑起来都不知道。

我个人习惯，拿到一块新板子，第一件事就是把串口调通。为什么？因为后面所有的调试信息、交互命令，全得靠它。RT-Thread 的 FinSH 组件更是离不开串口。所以这一章，咱们把 STM32 的 UART 从底层到上层，彻底搞明白。

4.1 STM32 UART 基础与 DMA 配置

先说说 STM32 的 UART 外设。说白了，它就是一套串行通信接口，负责把并行数据转成串行比特流发出去，再把收到的串行比特流还原成数据。

STM32 的 USART（通用同步异步收发器）比普通 UART 多了同步功能，但咱们做串口控制台，用异步模式就够了。核心寄存器就那么几个：

波特率怎么算？公式很简单：波特率 = fCK / (16 × USARTDIV)。其中 fCK 是外设时钟，USARTDIV 就是 BRR 寄存器里的值。我一般用 115200，这个速率稳定，而且大部分串口工具都支持。

再说 DMA。为什么要用 DMA？因为传统的中断方式，每收发一个字节就要进一次中断。115200 波特率下，每秒约 11520 个字节，也就是 11520 次中断。CPU 光处理中断就忙不过来了。

DMA 的配置流程，我总结为四步：

1. 使能 DMA 时钟 —— RCC 里打开对应 DMA 控制器时钟
2. 配置 DMA 通道 —— 设置源地址、目标地址、传输方向、数据宽度
3. 关联 USART 请求 —— USART_CR3 里使能 DMAT 和 DMAR
4. 启动 DMA 传输 —— 使能 DMA 通道，开始干活

这里有个坑，我曾经踩过：DMA 的传输完成中断和 USART 的传输完成中断是两回事。DMA 把数据搬完了，不代表 USART 已经发完了。要等 USART 的 TC 标志位置位，才算真正发送完成。

4.2 RT-Thread Serial 设备驱动框架解析

RT-Thread 的 Serial 设备驱动框架，说白了就是一套标准接口。它把各种串口芯片的差异都封装起来了，你只需要实现几个回调函数，就能让你的 UART 被系统识别和使用。

框架的核心结构体是 struct rt_serial_device。它长这样：

struct rt_serial_device
{
    struct rt_device          parent;           // 继承自 rt_device
    const struct rt_uart_ops *ops;              // 操作函数集
    struct serial_configure   config;           // 配置参数

    void *serial_rx;                            // 接收缓冲区
    void *serial_tx;                            // 发送缓冲区

    rt_uint8_t rx_int;                          // 接收中断标志
    rt_uint8_t tx_int;                          // 发送中断标志
};

你注意看，它里面有个 ops 指针，指向 struct rt_uart_ops。这个结构体定义了所有你需要实现的函数：

框架的工作流程是这样的：上层应用调用 rt_device_write()，框架根据配置的模式（轮询/中断/DMA），调用对应的 ops 函数。你只需要把底层的硬件操作填进去就行。

为了让你更直观地理解，我画了一张框架图：

4.3 编写 UART 驱动

好，理论说完了，咱们动手写代码。目标是让 STM32 的 USART1 被 RT-Thread 识别为一个 Serial 设备。

第一步，定义设备结构体。我习惯把硬件相关的信息都放在一个结构体里：

struct stm32_uart
{
    USART_TypeDef *instance;      // USART 基地址
    IRQn_Type irq;                // 中断号
    DMA_Stream_TypeDef *dma_tx;   // DMA 发送流
    DMA_Stream_TypeDef *dma_rx;   // DMA 接收流
    rt_uint32_t dma_tc_flag;      // DMA 传输完成标志
};

static struct stm32_uart uart1_dev =
{
    .instance = USART1,
    .irq = USART1_IRQn,
    .dma_tx = DMA2_Stream7,
    .dma_rx = DMA2_Stream5,
};

第二步，实现 ops 函数。以 configure 为例：

static rt_err_t uart_configure(struct rt_serial_device *serial,
                               struct serial_configure *cfg)
{
    struct stm32_uart *uart = (struct stm32_uart *)serial->parent.user_data;
    USART_TypeDef *usart = uart->instance;
    uint32_t baud_div;

    // 计算波特率分频值
    baud_div = HAL_RCC_GetPCLK2Freq() / (16 * cfg->baud_rate);
    usart->BRR = baud_div;

    // 配置数据位、停止位、校验位
    usart->CR1 = (usart->CR1 & ~0x3000) | (cfg->data_bits << 12);
    usart->CR2 = (usart->CR2 & ~0x3000) | (cfg->stop_bits << 12);
    usart->CR1 = (usart->CR1 & ~0x100) | (cfg->parity << 8);

    // 使能 USART
    usart->CR1 |= USART_CR1_UE | USART_CR1_TE | USART_CR1_RE;

    return RT_EOK;
}

第三步，注册设备。在 rt_hw_usart_init() 函数里完成：

int rt_hw_usart_init(void)
{
    rt_err_t ret;
    struct serial_configure config = RT_SERIAL_CONFIG_DEFAULT;

    // 设置波特率为 115200
    config.baud_rate = BAUD_RATE_115200;

    // 注册 Serial 设备
    ret = rt_hw_serial_register(&serial1,
                                "uart1",
                                RT_DEVICE_FLAG_RDWR |
                                RT_DEVICE_FLAG_INT_RX |
                                RT_DEVICE_FLAG_DMA_TX,
                                &uart1_dev);
    if (ret != RT_EOK)
    {
        return ret;
    }

    // 配置串口参数
    rt_device_control(&serial1.parent, RT_DEVICE_CTRL_CONFIG, &config);

    return RT_EOK;
}

第四步，实现中断处理。接收中断里，要把数据放入框架的接收缓冲区：

void USART1_IRQHandler(void)
{
    rt_interrupt_enter();

    if (USART1->SR & USART_SR_RXNE)
    {
        // 读取数据
        char ch = USART1->DR;

        // 通知框架有数据到达
        rt_hw_serial_isr(&serial1, RT_SERIAL_EVENT_RX_IND);
    }

    rt_interrupt_leave();
}

4.4 实战：串口控制台输出与 FinSH 组件集成

驱动写好了，怎么验证？最直接的办法——让串口输出 "Hello, RT-Thread!"。

首先，在 rtconfig.h 里打开 FinSH 组件：

#define RT_USING_FINSH
#define FINSH_USING_MSH
#define FINSH_THREAD_NAME   "tshell"
#define FINSH_USING_HISTORY
#define FINSH_HISTORY_LINES 5

然后，在 board.h 里把控制台设备名改成 "uart1"：

#define RT_CONSOLE_DEVICE_NAME "uart1"

编译、下载、上电。打开串口工具，你应该能看到 RT-Thread 的启动信息，然后出现 msh > 提示符。输入 help，能看到所有支持的命令。

这里有个小细节，我提一下。FinSH 的输入输出，本质上是调用了 rt_device_read() 和 rt_device_write()。你写的驱动如果正确实现了 ops，FinSH 就能正常工作。不需要额外写任何适配代码。

我曾经在一个项目里，因为 DMA 发送完成中断没处理好，导致 FinSH 输入命令后没反应。查了半天，发现是 DMA 传输完成后没有调用 rt_hw_serial_isr() 通知框架。加上之后就好了。

最后，给你一个完整的驱动文件结构参考：

嗯，这一章的内容就到这。串口驱动是 RT-Thread 驱动移植的入门关，也是最重要的一关。搞定了它，后面的 SPI、I2C 驱动移植，思路都是一样的——理解框架、实现 ops、注册设备。你把这个流程走一遍，后面就轻车熟路了。