Raspberry Pi 4裸机操作系统开发指南：Mini UART通信详解

Raspberry Pi 4裸机操作系统开发指南：Mini UART通信详解

rpi4-osdev Tutorial: Writing a "bare metal" operating system for Raspberry Pi 4 项目地址: https://gitcode.com/gh_mirrors/rpi/rpi4-osdev

内存映射I/O(MMIO)基础

在Raspberry Pi 4裸机开发环境中，与硬件通信的核心机制是内存映射I/O(MMIO)。这种技术允许我们通过读写特定的内存地址来直接控制硬件设备。对于RPi4而言，这些外设地址从0xFE000000(定义为PERIPHERAL_BASE)开始。

特别需要注意的是，RPi4默认启动时处于低外设模式(Low Peripheral Mode)，这会将外设映射到RAM的最后64MB空间。因此我们看到的地址与BCM2711文档中描述的不同。虽然可以启用高外设模式(High Peripheral Mode)来访问完整的35位地址空间，但这需要额外的内核修改，且可能带来一些副作用。

GPIO引脚配置详解

GPIO寄存器基础

GPIO(通用输入输出)引脚是连接外部设备的关键接口，同样使用MMIO进行控制。在代码中，我们通过几个关键寄存器来管理GPIO：

• GPFSEL0：功能选择寄存器，设置引脚的功能模式
• GPSET0：设置寄存器，将指定引脚置为高电平
• GPCLR0：清除寄存器，将指定引脚置为低电平
• GPPUPPDN0：上拉/下拉控制寄存器

这些寄存器都位于PERIPHERAL_BASE的固定偏移地址处，通过mmio_read和mmio_write函数进行读写操作。

GPIO引脚状态管理

GPIO引脚有三种基本状态控制：

1. 设置(set)：将引脚置为高电平(二进制1)
2. 清除(clear)：将引脚置为低电平(二进制0)
3. 上拉/下拉(pull)：配置引脚的默认状态
   • 上拉(Pull Up)：默认高电平
   • 下拉(Pull Down)：默认低电平
   • 无(Pull None)：浮空状态

对于UART通信，我们需要将GPIO引脚设置为浮空状态(Pull None)。

引脚功能复用

RPi4的GPIO引脚支持功能复用，即同一个物理引脚可以配置为不同的功能。在我们的UART示例中：

• GPIO 14配置为TXD1(发送)
• GPIO 15配置为RXD1(接收)
• 使用ALT5(替代功能5)启用UART1功能

这种灵活的引脚配置使得有限的物理引脚能够支持更多外设功能。

Mini UART配置与通信

UART寄存器配置

Mini UART同样通过MMIO进行控制，主要寄存器包括：

• AUX_ENABLES：启用UART功能
• AUX_MU_IO_REG：数据输入/输出寄存器
• AUX_MU_IER_REG：中断使能寄存器
• AUX_MU_IIR_REG：中断标识寄存器
• AUX_MU_LCR_REG：线路控制寄存器
• AUX_MU_MCR_REG：调制解调器控制寄存器
• AUX_MU_LSR_REG：线路状态寄存器
• AUX_MU_CNTL_REG：控制寄存器

关键参数设置

UART通信依赖于精确的时钟同步，主要配置参数包括：

1. 时钟频率：设置为500MHz，与config.txt中的core_freq_min=500配置对应
2. 波特率：115200，这是常见的串口通信速率
3. 数据位：8位，标准配置

通信功能实现

代码中实现了几个关键UART通信函数：

1. uart_isWriteByteReady：检查UART是否准备好发送数据
2. uart_writeByteBlockingActual：阻塞式发送单字节
3. uart_writeText：发送完整字符串
4. 接收功能：实现了从UART读取数据的能力

通过这些函数，我们实现了双向通信能力，使得RPi4既能发送也能接收数据。

高级功能：软件FIFO缓冲区

为了提高UART数据处理的可靠性，代码中实现了软件FIFO(先进先出)缓冲区。这种设计解决了几个关键问题：

1. 硬件缓冲区有限，容易溢出
2. 提供数据缓冲，降低丢失风险
3. 简化后续数据处理逻辑

FIFO缓冲区的实现使得系统能够更可靠地处理突发数据流，为后续更复杂的通信协议奠定了基础。

实践建议

对于希望深入理解这部分代码的开发者，建议：

1. 结合BCM2711文档研究每个寄存器的具体功能
2. 尝试修改波特率等参数，观察通信效果变化
3. 扩展FIFO缓冲区大小，测试其性能影响
4. 实验不同的GPIO引脚配置，理解功能复用机制

通过这部分的开发，我们建立了RPi4与开发机之间的稳定通信通道，为后续操作系统功能的开发奠定了重要基础。

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