树莓派4裸机操作系统开发指南：Mini UART通信详解

树莓派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/rp/rpi4-osdev

内存映射I/O(MMIO)基础

在树莓派4裸机开发中，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内存地址来直接控制硬件设备，而无需复杂的驱动程序。

树莓派4默认启动在低外设模式(Low Peripheral Mode)，将外设映射到RAM的最后64MB空间。因此，所有外设的基础地址是0xFE000000(代码中的PERIPHERAL_BASE)。这与BCM2711文档中描述的不同，是因为这种特殊的地址映射方式。

GPIO引脚配置详解

通用输入输出(GPIO)引脚是树莓派与外部世界交互的桥梁。在我们的项目中，USB转串口TTL电缆就是连接到这些引脚上的。

关键GPIO寄存器

在io.c文件中，我们定义了几个重要的GPIO寄存器：

• GPFSEL0：功能选择寄存器，用于设置引脚功能
• GPSET0：置位寄存器，用于将引脚设为高电平
• GPCLR0：清除寄存器，用于将引脚设为低电平
• GPPUPPDN0：上拉/下拉控制寄存器

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

GPIO引脚状态控制

GPIO引脚有三种基本操作：

1. 设置高电平(gpio_set)：给引脚施加电压(逻辑1)
2. 清除低电平(gpio_clear)：移除引脚电压(逻辑0)
3. 上拉/下拉设置(gpio_pull)：
   • 上拉(Pull Up)：默认高电平
   • 下拉(Pull Down)：默认低电平
   • 无上拉下拉(Pull None)：浮空状态

对于UART通信，我们需要将引脚设置为浮空状态(Pull None)。

引脚功能复用

树莓派的GPIO引脚具有功能复用特性，这意味着每个引脚可以配置为多种不同的功能。在我们的案例中：

• 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UART功能

这种配置通过gpio_function函数实现，将迷你UART(UART1)映射到我们连接电缆的物理引脚上。

迷你UART配置与通信

UART寄存器配置

与GPIO类似，UART也通过MMIO进行控制。io.c文件中定义了以下关键UART寄存器：

• AUX_ENABLES：启用辅助外设
• AUX_MU_IO_REG：数据输入/输出
• AUX_MU_IER_REG：中断启用
• AUX_MU_IIR_REG：中断标识
• AUX_MU_LCR_REG：线路控制
• AUX_MU_MCR_REG：调制解调器控制
• AUX_MU_LSR_REG：线路状态
• AUX_MU_MSR_REG：调制解调器状态
• AUX_MU_SCRATCH：暂存寄存器
• AUX_MU_CNTL_REG：控制寄存器
• AUX_MU_STAT_REG：状态寄存器
• AUX_MU_BAUD_REG：波特率设置

波特率与时钟配置

UART通信的核心是精确的时序控制。在config.txt中设置的core_freq_min=500与代码中的AUX_UART_CLOCK=500000000(500MHz)直接相关，这确保了通信时序的准确性。

初始化函数uart_init()完成了以下关键配置：

• 设置波特率为115200
• 数据位为8位
• 启用UART发送和接收功能

UART通信函数

我们实现了几个关键通信函数：

1. uart_isWriteByteReady：检查UART是否准备好发送数据
2. uart_writeByteBlockingActual：阻塞式发送单个字节
3. uart_writeText：发送完整字符串
4. uart_readByteBlocking：阻塞式读取单个字节
5. uart_isReadByteReady：检查是否有数据可读

这些函数构成了基本的UART通信能力，使得"Hello world"示例成为可能。

高级功能：FIFO缓冲区

为了提高UART通信的可靠性，我们实现了一个软件FIFO(先进先出)缓冲区。这个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，减轻实时处理压力
3. 为未来更复杂的数据处理奠定基础

FIFO缓冲区通过以下函数管理：

• uart_loadRecvFifo：加载接收到的数据到缓冲区
• uart_readByteAsap：从缓冲区快速读取字节

实践应用：双向通信演示

在当前的实现中，树莓派4不仅能够输出"Hello world!"信息，还能实现回显功能(Echo)。当你在终端输入字符时，树莓派会立即将相同的字符发送回来，这验证了双向通信的成功实现。

这个简单的回显功能展示了裸机系统与外部世界交互的基本模式，为后续更复杂的输入输出处理奠定了基础。

开发建议

1. 始终参考BCM2711 ARM外设文档，但要注意文档可能存在错误
2. 在修改GPIO或UART配置时，确保理解每个位的含义
3. 考虑添加错误处理机制，特别是对于UART通信
4. 可以扩展FIFO缓冲区功能，增加溢出保护等机制

通过本部分的开发，我们已经建立了一个可靠的底层通信框架，为后续的图形显示、设备驱动等更复杂功能打下了坚实基础。

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