树莓派简单操作系统制作之三：树莓派4B裸机程序串口uart实现Hello world！_树莓派裸机开发

第一个程序，当然是“Hello World! ”，在上一篇教程中，讲解了如何编译裸机程序。本文将介绍怎么实现。

背景

首先需要一种方式输出我们的程序Hello world，这里我们首先选取了难度相对不高的串口。实现方法就是通过前两节讲的方法，讲本节写的程序编译好并通过uboot上的tftp传到树莓派执行。

树莓派共有两种类型5个（应该是5个）串口控制器。一种类型是miniuart，另外一种是普通的PL011串口控制器，除uart1是miniuart以外都是PL011普通的串口。网上找到的资料大都通过树莓派的miniuart来实现程序的控制台功能，参考 https://github.com/isometimes/rpi4-osdev 中的part3.
（后续是我个人经验，仅作参考）
但是我自己在实现过程中遇到了输出乱码的问题（用的MobaXterm程序作为宿主机端的串口接收和发送工具），原因应该是波特率设置的问题（本来配置的波特率是115200，宿主机修改波特率到57600后输出不再乱码但输出字符与实际不能相互对应），尝试修改寄存器配置和修改config.txt但是没能成功。
通过查阅网上的相关介绍，简单理解miniuart没有自己的时钟，用的是CPU的时钟，也有一些其它功能上的阉割，时钟频率和波特率又是强相关的关系，因此我认为出错的原因应该就是因为这个。所以我弃用了github上miniuart作为控制台，改为配置为普通的pl011串口控制器，关于PL011串口控制器，可以参阅：ARM PrimeCell UART(PL011)

步骤

1. 连接串口工具到电脑

我本人用的是CH340 USB转TTL模块连接。

• 当连接windows主机时
  需要安装对应的串口驱动，USB端插入电脑后，在设备管理器中可以看到对应的串口设备如下图所示，
  
  （图片来自github，侵删）
  真实情况可能会有出入，（当前没有实验环境需要后续更新实际图片）。
  打开MobaXterm的串口选项，选择对应的串口设备，即COM号，设置波特率即可在宿主机端代开串口设备。
• 当连接Linux主机时
  不需要安装任何驱动，当串口设备插入时，在/dev/目录下会产生一个ttyUSBx节点（x的值以实际情况为准）。
  在Linux主机内安装minicom串口工具，使用minicom -s 命令设置串口的波特率，然后运行 sudo minicom -D /dev/ttyUSBx 即可打开对应的串口设备
• 当连接Mac时
  无实验环境。。。（多么伤心的理由）

2. 连接树莓派

CH340 可以有4个引脚引出，小板背面有标记
GND: 接地，一般接黑色杜邦线
Rx：从树莓派接收数据，一般是白色杜邦线，可比作嘴巴
Tx：向树莓派写入数据，一般是绿色杜邦线，可比作耳朵
Vcc：供电，一般是红色杜邦线
另外可以选择Vcc电压的值，一般3v3和5v二选一，通过跳线帽选择，暂时不清楚有什么影响，欢迎读者评论补充，我选的3v3。杜邦线颜色没有任何影响，只是符合一般使用习惯而已。
需要特别注意的是在应用中CH340的Rx需要连接板子的Tx，CH340的Tx连接板子的Rx，类似于嘴巴和耳朵的关系，嘴巴需要对着耳朵说话，如果接反就不能正常通信，就会发现你的嘴巴对着对面的嘴巴说话，反过来你耳朵在听对面耳朵发出的声音，这是一件很容易理解的逻辑。另外需要连接GND实现CH340串口小板子和树莓派的共地，避免因为电平的差异造成接收或发送的数据乱码。Vcc一般可以不连接。
树莓派板子上我们选用了14和15作为我们配置的串口引脚如下图所示。

依照上面介绍，连线后示意图如下

其实连接方法与github上相同，树莓派14和15引脚可以复用为UART0和UART1，UART0是普通的PL011串口控制器，UART1是miniUART。

3. 串口配置

关于代码中链接文件，初始化程序等本文就不做详细说明，可以参考代码仓库02_helloworld，重点讲一下如何对串口的配置。关于串口的配置可以参考官方文档 bcm2711 peripherals 。
首先，完整的串口裸机程序大概包含以下步骤：

uart_init();
uart_send("Hello world!\n");
while(1)
{
        uart_send_char(uart_recv());
}
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其中uart_init为uart初始化函数，uart_send(char *s)函数为发送字符串的函数，uart_send_char(char c)函数为发送字符函数。uart_recv() 为接收字符函数，接下来分别讲解。

• uart_init()
  初始化串口，主要完成串口引脚配置及串口控制器寄存器的配置,内容如下。

void uart_init(void)
{
    unsigned int selector;

    selector = read_reg32(GPFSEL1); // get gpio control register value
    selector &= ~(7<<12);                   // clean gpio14
	selector |= 4<<12;                      // set alt0 for gpio14
	selector &= ~(7<<15);                   // clean gpio15
	selector |= 4<<15;                      // set alt0 for gpio15
    write_reg32(GPFSEL1, selector);
    
    write_reg32(GPPUD,0);
    delay(150);
    write_reg32(GPPUDCLK0,(1<<14)|(1<<15));
    delay(150);
    write_reg32(GPPUDCLK0,0);

    write_reg32(UART0_CR, 0); //disable uart0
    write_reg32(UART0_LCRH, 0x60); // set to character mode, 8 bits word len and disable Parity
    write_reg32(UART0_IBRD, 0x1a);
    write_reg32(UART0_FBRD, 0x3); // set burdrate to 115200
    write_reg32(UART0_DMACR, 0x00); //disable dma
    write_reg32(UART0_ITCR, 0x0); 
    write_reg32(UART0_ITOP, 0x0); 
    write_reg32(UART0_TDR, 0x0); 
    write_reg32(UART0_CR, 0x301); //enable uart0
}
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说明：write_reg32为写寄存器函数，相应的read_reg32为读寄存器函数。delay()函数并不是以ms为单位，而是执行n次的空指令。其中用到的寄存器地址的宏定义在源码头文件中有定义。与官方文档中介绍的地址不同，文档中PERIPHERAL_BASE的地址位0x7e000000, 而我们用的是0xfe000000. 主要原因我们使用了low_memery模式.
首先是配置两个pin脚，树莓派上40个pin脚有默认的6个功能，分别为Alt0，Alt1…Alt5。如下图，需要完成特定功能只需要将特定引脚配置成特定功能即可。

如上图所示，我们需要将14和15引脚选择ALT0（miniuart选择ALT5）。配置方法可以根据官方文档的说明操作，配置GPFSEL1寄存器，文档中关于该寄存器的说明如下。

如上图，我们仅需配置第17-12位即可，对应的代码如下。

    selector = read_reg32(GPFSEL1); // get gpio control register value
    selector &= ~(7<<12);                   // clean gpio14
	selector |= 4<<12;                      // set alt0 for gpio14
	selector &= ~(7<<15);                   // clean gpio15
	selector |= 4<<15;                      // set alt0 for gpio15
    write_reg32(GPFSEL1, selector);
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配置完function功能后，我们需要配置gpio无初始状态，因为树莓派默认可以拉高或者拉低，但是我们的引脚一开始就可以用起来，因此不需要配置初始状态，需要配置GPPUDCLK0和GPPUD寄存器。需要指出的是，这两个寄存器每配置一次就要运行150次的空指令（文档要求）。代码如下：

    write_reg32(GPPUD,0);
    delay(150);
    write_reg32(GPPUDCLK0,(1<<14)|(1<<15));
    delay(150);
    write_reg32(GPPUDCLK0,0);
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最后配置UART0的控制器，首先关闭串口控制器，然后配置成字符模式，不适用fifo模式。然后设置波特率如代码所示。关闭DMA，最后打开uart0。代码如下，关于波特率的计算公式及寄存器的配置方法，文档中有详细介绍，不再赘述。

    write_reg32(UART0_CR, 0); //disable uart0
    write_reg32(UART0_LCRH, 0x60); // set to character mode, 8 bits word len and disable Parity
    write_reg32(UART0_IBRD, 0x1a);
    write_reg32(UART0_FBRD, 0x3); // set burdrate to 115200
    write_reg32(UART0_DMACR, 0x00); //disable dma
    write_reg32(UART0_ITCR, 0x0); 
    write_reg32(UART0_ITOP, 0x0); 
    write_reg32(UART0_TDR, 0x0); 
    write_reg32(UART0_CR, 0x301); //enable uart0
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• uart_send_char(char c)
  源码如下：

void uart_send_char(char c)
{
    if(c == '\n')   
        uart_send_char('\r');
    while(1){
        if(read_reg32(UART0_FR)&0x80 || !(read_reg32(UART0_FR)&0x20))
            break;
    }
    write_reg32(UART0_DR, c);
}
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发送换行字符’\n‘之前需要发送’\r’ 字符，与串口的转义字符有关，没有深入研究。
需要等待串口的帧状态寄存器，循环读取读取是否可写，如可写，就向数据寄存器写入字符，反之，则循环等待。（尚未用到中断控制）

• uart_send(char *s)

void uart_send(char* str)
{
    while(*str!='\0'){
        uart_send_char(*str);
        str++;
    }
}

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循环调用uart_send_char(char c)函数写入字符。

• uart_recv()

char uart_recv(void)
{
    while (1){
        if(read_reg32(UART0_FR)&0x40)
            break;
    }
    return(read_reg32(UART0_DR)&0xff);
}
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与写入相反，读取则是线读取帧状态寄存器数据是否就绪，如就绪则读取

验证

连接好串口Uboot启动之后按任意键进命令行(关于Uboot配置并从串口控制可以参考【树莓派学习笔记】树莓派4B上运行uboot并从网络启动linux内核（上）和【树莓派学习笔记】树莓派4B上运行uboot并从网络启动linux内核（下） 文档），分别敲入tftp 0x80000 kernel8.img和go 0x80000（其实也可以设置bootcmd= tftp 0x80000 kernel8.img; go 0x80000这样uboot每次启动会自动加载裸机程序并执行）执行裸机程序，就可以在串口中看到输出。

本篇教程中的代码可以在以下地址获取：

一定注意源码需要先修改交叉编译器路径

树莓派4B裸机串口程序源码（结合uboot使用）

欢迎各位批评指正