📚 课程目录第4章 UART裸机驱动

4. UART裸机驱动：从控制器配置到中断收发

UART，说白了就是串口。在Zynq上做裸机开发，串口是你和硬件对话的第一扇门。我记得刚接触Zynq时，第一个外设驱动的就是UART——因为没它，你连printf都看不到，调试全靠猜。

这一节，我们不讲Linux下的ttyPS0怎么配，就讲裸机下怎么让UART老老实实收发数据。你会看到三种模式：轮询、中断、以及我踩过的坑。

4.1 UART控制器硬件结构

Zynq的UART控制器是Cadence IP核，挂在APB总线上。它的寄存器布局很规整，核心就这几个：

寄存器	偏移	作用
CR	0x00	控制寄存器（使能、复位、流控）
MR	0x04	模式寄存器（数据位、停止位、校验）
IER	0x08	中断使能寄存器
ISR	0x0C	中断状态寄存器
BRGR	0x10	波特率发生器（分频系数）
FIFO	0x30	收发FIFO数据寄存器

你可能会问：为什么FIFO地址是0x30而不是0x14？嗯，中间那几个寄存器是留作扩展的，不用管它。

核心要点：UART的收发都通过FIFO操作。读FIFO就是收数据，写FIFO就是发数据。硬件自动处理移位和帧格式。

4.2 寄存器配置：三步走

配置UART其实就三步。我在项目里从来都是按这个顺序来，一次都没出过问题：

复位并禁用：写CR寄存器的RST位，然后清掉TXEN/RXEN
设置波特率和格式：算分频系数，写BRGR；写MR选8N1
使能收发：CR里置位TXEN和RXEN

波特率怎么算？公式很简单：

BRGR = (时钟频率) / (波特率 × 16) - 1

举个例子，Zynq的UART时钟通常是50MHz，要配115200：

BRGR = 50000000 / (115200 × 16) - 1
     = 50000000 / 1843200 - 1
     ≈ 27.13 - 1
     = 26

取整后实际波特率是50000000/(27×16) ≈ 115740，误差0.47%，完全OK。

我的习惯：配完波特率后，先发一个0x55（二进制01010101），用示波器看波形。如果每个位宽度一致，说明分频系数算对了。这招帮我省了至少三次查寄存器的时间。

4.3 轮询模式：简单粗暴

轮询模式，说白了就是CPU死等。发数据时等FIFO空，收数据时等FIFO非空。

代码长这样：

// 发送一个字节
void uart_putc(char c) {
    // 等TX FIFO空
    while (!(readl(UART_BASE + ISR) & (1 << 2)));
    // 写FIFO
    writel(c, UART_BASE + FIFO);
}

// 接收一个字节
char uart_getc(void) {
    // 等RX FIFO有数据
    while (!(readl(UART_BASE + ISR) & (1 << 0)));
    // 读FIFO
    return readl(UART_BASE + FIFO) & 0xFF;
}

你看，就这么几行。但有个问题——如果对方不发数据，程序就卡死在while里了。我在调试一个传感器模块时就遇到过，对方上电慢，结果系统直接死等，连看门狗都来不及喂。

避坑指南：轮询收数据一定要加超时！我曾经在一个工业项目里没加超时，结果对方掉线后整条产线卡死。加个计数器，超时了就返回-1，至少系统还能继续跑。

4.4 中断模式：真正的生产力

轮询模式只适合调试。真正产品里，你得用中断。为什么？因为CPU不能老等着串口，它还有更重要的事要做。

中断模式的配置比轮询多两步：

使能UART的中断（IER寄存器）
在GIC里注册中断服务函数

中断服务函数（ISR）怎么写？我一般这样：

void uart_isr(void) {
    uint32_t status = readl(UART_BASE + ISR);

    // 收到数据
    if (status & (1 << 0)) {
        char c = readl(UART_BASE + FIFO) & 0xFF;
        // 把c放进环形缓冲区
        ringbuf_push(&rx_buf, c);
    }

    // 发送完成（如果需要）
    if (status & (1 << 2)) {
        // 可以发下一包了
    }
}

这里有个关键点：ISR里不要做复杂操作，把数据扔进缓冲区就赶紧返回。我见过有人直接在ISR里做协议解析，结果中断嵌套把自己搞死了。

经验之谈：中断里用环形缓冲区是标准做法。缓冲区大小根据波特率算——115200bps下，每字节约87μs，如果主频666MHz，缓冲区256字节够你处理2ms的数据。一般够用。

4.5 收发数据：两种模式的对比

对比项	轮询模式	中断模式
CPU占用	100%（死等）	仅收发瞬间
实时性	差（被其他任务阻塞）	好（硬件触发）
代码量	~10行	~50行（含缓冲区管理）
适用场景	调试、Bootloader	产品、多任务系统
风险	死锁（无超时）	中断嵌套、缓冲区溢出

你想想看，如果你的系统还要跑网络协议栈、控制电机、处理传感器数据，你敢用轮询吗？反正我不敢。

4.6 实战：把printf挂到UART上

裸机开发没有标准库的printf，但我们可以自己实现一个简易版。原理很简单：把printf的底层输出函数替换成我们的uart_putc。

// 简易printf实现
void my_printf(const char *fmt, ...) {
    char buf[256];
    va_list args;
    va_start(args, fmt);
    vsnprintf(buf, sizeof(buf), fmt, args);
    va_end(args);

    // 逐字节通过UART发送
    char *p = buf;
    while (*p) {
        uart_putc(*p++);
    }
}

这样你就可以在裸机上用my_printf打印调试信息了。我在做Zynq的DMA驱动时，全靠这个打印寄存器值来定位问题。

小技巧：vsnprintf在ARM编译器里是有的，但如果你用GCC裸机，可能需要自己实现。我一般直接移植Newlib的printf，省事。

4.7 常见问题与排查

做UART驱动这么多年，我总结了几条排查思路：

没输出？先查波特率对不对，再用示波器看TX脚有没有波形
输出乱码？大概率是波特率或数据格式不匹配，检查BRGR和MR
中断不触发？查IER有没有使能，GIC里有没有注册，优先级有没有配对
丢数据？缓冲区太小或者ISR处理太慢，加大缓冲区或优化ISR

我记得有一次，客户说串口偶尔丢第一个字节。查了两天，最后发现是FIFO使能后第一个字节写入时硬件还没准备好。解决方案很简单：配置完UART后，先写一个哑字节，然后清掉FIFO。嗯，这种坑，没遇到过的人根本想不到。