📚 课程目录第3章配置虚拟串口并实现回显

3. 配置虚拟串口并实现回显

任务说明

本案例要求在Renode仿真环境中为嵌入式目标创建虚拟串口，并编写固件程序实现串口回显功能。完成目标是：通过Renode的monitor将字符写入虚拟串口后，固件能够接收并在同一串口上原样返回该字符，验证时在monitor中观察到回显数据。

硬件平台与依赖

选用Renode内置支持的STM32F4Discovery开发板仿真模型（STM32F405芯片），该模型已包含USART2外设。需要安装Renode（≥1.13），无需额外硬件。本案例使用Renode的UARTPtyDriver或UARTBackend作为虚拟串口后端，通过monitor的uart命令进行读写。

固件实现

以下C代码完成USART2的初始化（PA2=TX，PA3=RX，波特率115200，8N1），并在主循环中阻塞接收单个字节后立即发送回显。代码直接操作寄存器，不依赖HAL库，便于在仿真环境中精确控制。


// echo_uart.c
// STM32F405 USART2 回显程序（Renode仿真用）
// 时钟：内部HSI 16MHz，APB1=16MHz，USART2挂载于APB1

#define RCC_BASE        0x40021000
#define RCC_AHB1ENR     (*(volatile unsigned int*)(RCC_BASE + 0x30))
#define RCC_APB1ENR     (*(volatile unsigned int*)(RCC_BASE + 0x40))

#define GPIOA_BASE      0x40020000
#define GPIOA_MODER     (*(volatile unsigned int*)(GPIOA_BASE + 0x00))
#define GPIOA_AFRL      (*(volatile unsigned int*)(GPIOA_BASE + 0x20))

#define USART2_BASE     0x40004400
#define USART2_SR       (*(volatile unsigned int*)(USART2_BASE + 0x00))
#define USART2_DR       (*(volatile unsigned int*)(USART2_BASE + 0x04))
#define USART2_BRR      (*(volatile unsigned int*)(USART2_BASE + 0x08))
#define USART2_CR1      (*(volatile unsigned int*)(USART2_BASE + 0x0C))

// 状态位
#define SR_TXE          (1 << 7)
#define SR_RXNE         (1 << 5)

void uart_init(void) {
    // 1. 使能GPIOA和USART2时钟
    RCC_AHB1ENR |= (1 << 0);   // GPIOA
    RCC_APB1ENR |= (1 << 17);  // USART2

    // 2. PA2=AF7(TX), PA3=AF7(RX) 设置为复用功能
    GPIOA_MODER &= ~(0xF << (2*2));  // 清PA2,PA3模式位
    GPIOA_MODER |=  (0xA << (2*2));  // PA2=10(复用), PA3=10(复用)
    GPIOA_AFRL &= ~(0xFF << (2*4)); // 清AFRL bit8~15
    GPIOA_AFRL |=  (0x77 << (2*4)); // PA2=AF7, PA3=AF7

    // 3. 配置波特率 115200 @ 16MHz: BRR = 16000000/115200 = 138.89 ≈ 139
    USART2_BRR = 139;

    // 4. 使能USART2, 发送, 接收
    USART2_CR1 = (1 << 13) | (1 << 3) | (1 << 2); // UE=1, TE=1, RE=1
}

void uart_putc(char c) {
    while (!(USART2_SR & SR_TXE));  // 等待发送数据寄存器空
    USART2_DR = c;
}

char uart_getc(void) {
    while (!(USART2_SR & SR_RXNE)); // 等待接收数据寄存器非空
    return (char)(USART2_DR & 0xFF);
}

int main(void) {
    uart_init();
    while (1) {
        char ch = uart_getc();
        uart_putc(ch);
    }
    return 0;
}

编译与仿真配置

使用arm-none-eabi-gcc编译（需安装ARM交叉编译器），生成ELF文件。然后创建Renode仿真脚本，加载STM32F4Discovery平台并连接虚拟串口。


# echo.resc  (Renode 脚本)
:name: EchoTest
:description: Virtual UART echo test

using "platforms/boards/stm32f4_discovery.repl"

machine create
machine LoadPlatformDescription @platforms/boards/stm32f4_discovery.repl

# 加载编译好的固件
machine LoadELF @/path/to/echo_uart.elf

# 创建虚拟串口后端并连接到USART2
machine UartCreate "COM1" "/tmp/virtual_uart"
machine ConnectUart "COM1" "sysbus.usart2"

start

编译命令：


arm-none-eabi-gcc -mcpu=cortex-m4 -mthumb -nostdlib -Ttext=0x08000000 \
  -Wl,-e,main echo_uart.c -o echo_uart.elf

验证方法

按以下步骤执行并观察结果：

启动Renode：renode -P 1234，然后在monitor中执行include @echo.resc。
在monitor中向虚拟串口写入字符：uart "COM1" "A"。
从同一串口读取回显：uart "COM1"。

判定标准：第3步读取到的输出字符与第2步写入的字符完全一致（例如写入A，读取到A）。连续测试多个不同字符（如Z、5、@）均能正确回显，即判定通过。

预期结果说明

根据上述代码逻辑，当monitor向虚拟串口写入单个字符时，固件阻塞等待接收，收到后立即发送同一字符，因此monitor从串口读取到的内容必然与写入内容相同。此结论由代码逻辑直接推出，可作为预期输出参考。实际执行时，在Renode monitor中依次执行写入和读取命令，观察读取结果即可完成验证。