King3399（ubuntu文件系统）串口功能测试

0 引言

串口作为大多数人接触嵌入式的第一种数据传输方式，由于其简单易用的特性，在程序调试过程中起着重要作用，本文将对king3399的uart进行测试并对硬件电路、设备树与驱动程序进行分析

1 uart接口快速测试

通过King3399底板-硬件规格书能够了解到，板子在不修改设备树的情况下有两个可用的串口：uart0和uart4，这里以uart4为例，进行测试分析，打开...\02-软件文档\荣品文档\驱动调试\串口可以看到有关于串口部分的测试说明，里边的内容很简单，这里可以快速复现一下串口使用测试说明.pdf的内容，顺便测试是否存在硬件故障

首先板子上电并安装cutecom串口调试工具，关于cutecom的安装与使用可以参考脚注【a】，如果不确定系统是否安装cutecom，可以打开命令行输入cutecom并回车，如果已安装则会弹出应用界面

cutecom安装完成后便可进行回环测试（自己发送自己接收），有条件的可以找对应的接插件，将位号为J30的RX与TX短接，剩余两个引脚不用管，没有条件的找一根双母头2.54杜邦线，将两头的胶壳取下，再往金属端子裹一层胶布，然后将两头分别接到J30的RX与TX上，注意不要让vcc与gnd短接，可能会造成不可逆后果！！！

命令行输入cutecom打开串口调试工具，参考配置如下，在“Device”处选择时可挨个试试，本人选择的是“ttyS*”，如果不清楚这个tty是什么的可以参考脚注【b】，然后在“Input”输入发送的字符按下回车键发送，发送的历史记录将将会显示在上边的文本框中，如果想要快速发送可以直接双击历史记录中的数据，如果硬件没有问题将会在下边文本框中收到发送的数据，至此，uart驱动与硬件一切正常

进一步的，我们还可以测试不同设备/系统之间的uart通信是否正常，这里需要准备一个CH340_USB转串口模块，双母头杜邦线3根，电路连接如下所示，注意RX与TX的交叉连接，为保证数据传输的稳定性还需将两者的GND相连

打开电脑上串口调试工具，波特率与板子上调试工具的一致，这里设置为9600，8-None-1，分别在电脑端与板子端发送数据，如果一切正常则能够收到对方的数据，电脑与板子调试工具的配置如下图所示


通过上述两组测试能够验证uart相关的软硬件没有问题，下面我们将更深入地去讲解板子uart的硬件部分

2 uart接口硬件分析

打开...\底板硬件资料\KING3399-20180712原理图.pdf，截取相关电路原理图如下所示，uart4(J30)与spi（J35）复用芯片的GPIO1_A7与GPIO1_B0，uart（J30）经过RS232（U10）进行电平转换，再进入Q27/Q28两颗mos管实现不同电平的隔离，本人电路知识有限，这里只能粗略说明工作原理

首先是U10这颗芯片，这颗芯片贴片时并没有贴，在...\03-硬件文档\king3399 改 RS232.jpg中可以了解到，该芯片是选配的，由用户自行决定是否焊接，默认不焊接，未焊接时，可使用uart进行通信，焊接后使用rs232通信，相信很多人对于串行通信、uart以及rs232这几个概念是比较模糊的，具体的区别可参考脚注【c】，关于该芯片的具体信息BOM表中并没有提到，但从引脚数量、功能及外接电路可以猜测出可能是sp3232

其次是Q27/Q28这两颗mos管，这俩的作用是实现不同电平域的隔离，功能与熟知的光耦或者电磁继电器相似，分析这部分电路时需要注意VCCA1V8_CODEC与VDD_IO这两个电源网络的电压，前者是1.8v，后者是3.3v，有人可能好奇这里为什么是1.8v而不是常见的3.3v，关于这个问题可以参考脚注【d】，另外由于rk3399这颗芯片在初始化时将GPIO1_A7与GPIO1_B0等引脚的电压设定为1.8v，这就意味着这部分引脚的最大承受电压为1.8v，而我们使用的大多数uart通信外设使用的电压为标准TTL电平（高电平通常为3.3V至5V，低电平为0V至0.4V），这显然不能采用直连的方案，于是便使用mos对不同电平域隔离，关于此处mos管的工作原理可以参考脚注【e】

关于板子uart的硬件部分差不多就分析完了，这部分涉及的知识点比较杂，本人也是边写边学，有讲错的地方还请斧正

3 uart设备树分析

为了验证前面的硬件电路分析，我们还可以从设备树的配置入手，打开/home/username/ws/sdk/kernel/arch/arm64/boot/dts/rockchip/rk3399.dtsi，摘取spi1与uart4节点的部分内容如下，从配置中可以看到spi1与uart4共用PA7与PB0这两个引脚

spi1 {
        spi1_clk: spi1-clk {
            rockchip,pins = <1 RK_PB1 2 &pcfg_pull_up>;
		};
		spi1_cs0: spi1-cs0 {
			rockchip,pins = <1 RK_PB2 2 &pcfg_pull_up>;
		};
		spi1_rx: spi1-rx {
			rockchip,pins = <1 RK_PA7 2 &pcfg_pull_up>; // <------------------
		};
		spi1_tx: spi1-tx {
			rockchip,pins = <1 RK_PB0 2 &pcfg_pull_up>; // <------------------
		};
	};

......

uart4 {
		uart4_xfer: uart4-xfer {
			rockchip,pins =
				<1 RK_PA7 1 &pcfg_pull_up>, // <------------------
				<1 RK_PB0 1 &pcfg_pull_up>; // <------------------
		};
    };

在/home/username/ws/sdk/kernel/arch/arm64/boot/dts/rockchip/rk3399/king-rk3399.dts中可以看到，spi1的状态为disable，而uart4的状态为okay，这也就意味着J35这个接口并不起作用

&spi1 {
	status = "disabled"; // <------------------
	max-freq = <50000000>;
	spi_test:spi_test@0 {
	     status = "okay";
	     compatible = "rockchip,spidev";
	     reg = <0>;
	     spi-max-frequency = <4000000>;
	     spi-cpha;
	     spi-cpol;
	     cs-gpios = <&gpio1 RK_PB2 GPIO_ACTIVE_LOW>;
	    };
    };

......

&uart4 {
        status = "okay"; // <------------------
        pinctrl-names = "default";
        pinctrl-0 = <&uart4_xfer>;
        dma-names = "tx", "rx";
        dmas = <&dmac_peri 8>, <&dmac_peri 9>;
};

在上一个小节中我们提到了电源域，在写这篇文章时，本人原想结合电路在设备树看看这个板子是如何配置的，但官方所给的资料中没有核心板的原理图，对于电源配置这方面无从下手，在文件02-软件文档\RK原厂文档\linux\cn\RK3399\Rockchip_RK3399_IO_电源域配置指南_CN.pdf中有提到如何去配置，本人水平有限看不懂

4 uart驱动代码分析

为确定uart驱动源码需打开文件：\02-软件文档\荣品文档\源码文件路径.xlsx,在工作簿RK3399中找到SERIAL，其对应的路径就为uart驱动源码的路径kernel/drivers/tty/serial/8250/，打开上述路径会发现该路径中存在大量文件，一时无从下手，为快速定位具体使用的驱动程序可打开/home/username/ws/sdk/kernel/arch/arm64/boot/dts/rockchip/rk3399.dtsi，可以看到uart4的具体配置信息

uart4: serial@ff370000 {
	compatible = "rockchip,rk3399-uart", "snps,dw-apb-uart";
	reg = <0x0 0xff370000 0x0 0x100>;
	clocks = <&pmucru SCLK_UART4_PMU>, <&pmucru PCLK_UART4_PMU>;
	clock-names = "baudclk", "apb_pclk";
	interrupts = <GIC_SPI 102 IRQ_TYPE_LEVEL_HIGH 0>;
	reg-shift = <2>;
	reg-io-width = <4>;
	pinctrl-names = "default";
	pinctrl-0 = <&uart4_xfer>;
	status = "disabled";
};

其中compatible = "rockchip,rk3399-uart", "snps,dw-apb-uart";值得注意，在kernel/drivers/tty/serial/8250/目录下全局查找rockchip,rk3399-uart与snps,dw-apb-uart字串，会发现前者无结果，而后者在两个文件中有提到，分别为8250_dw.c与8250_early.c，根据文件头部说明可以知道8250_dw.c为Synopsys DesignWare 8250 driver，也即Synopsys的串口驱动程序，king3399借用该驱动，而8250_early.c的作用是提供系统早期控制台支持，允许在内核启动早期阶段使用8250 uart进行调试输出，该文件可先不理会，本文只分析内核启动后串口的驱动分析

因此8250_dw.c为主要源码分析对象，为便于对比，参考脚注【f】中将会提供添加注释前后的源码文件，需要注意的是由于源码涉及很多知识点，本人也并不精通这部分内容，在添加注释时借用了vscode MarsCode AI插件，注释的准确性需自行甄别

根据设备树的兼容性属性可以定位到of_device_id dw8250_of_match，而该结构体在platform_driver dw8250_platform_driver被调用，细心地可以注意到，该结构何体中有两个设备匹配表，分别为dw8250_of_match与dw8250_acpi_match，驱动中使用的是前者，关于这两者的区别为：ACPI主要用于x86架构，是UEFI固件的一部分，致力于提升电源效率，在内核启动时加载；而设备树（DTS）适用于ARM架构，是独立的文件，旨在分离设备驱动与设备信息，DTS在启动前传递给内核，参考脚注【g】，rk3399使用的是设备树，因此选择前者，此外，驱动程序中还将uart设备添加到MODULE_DEVICE_TABLE外设队列中，表示该外设支持热插拔功能

在dw8250_platform_driver中还注册了电源管理相关的函数dw8250_pm_ops，在结构体dev_pm_ops dw8250_pm_ops中主要实现了四个函数：睡眠模式下的挂起与恢复，运行模式下的挂起与恢复

接下来便是设备注册函数dw8250_probe，主要完成以下操作：变量声明与初始化，检查寄存器资源和获取中断号，初始化UART端口参数，内存映射和数据结构分配，设置DMA过滤函数和UART状态寄存器偏移，读取设备属性并设置UART端口参数，配置时钟和复位控制，处理设备的特殊特性，配置DMA，注册UART端口，注册时钟通知器以及启用电源管理

与注册相对应的为注销函数dw8250_remove，主要完成以下操作：取消注册时钟通知器、取消注册UART端口、复位设备、禁用时钟以及禁用设备的电源管理

最后通过module_platform_driver对外设进行注册与注销，该函数替代了module_init与module_exit

以上是8250_dw.c的粗略分析，更多细节部分可下载文末提供的源码文件比对查看

【a】 ubuntu cutecom串口调试工具使用方法 (图形界面)

【b】 Linux TTY基本概念之ttys*、tty*、ttyS*、console理解

【c】 电子设计 | 串口，UART，RS232之间的区别

【d】 1.8V、3.3V、5V、12V等常用电压等级是如何确立的？

【e】 经典的MOS管电平转换电路

【f】 代码仓库(pwd : 73ig)

【g】 ACPI和设备树（DTS）的区别