Raspberry Pi 4裸机操作系统开发：Hello World串口通信实践-优快云博客

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Raspberry Pi 4裸机操作系统开发：Hello World串口通信实践

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

前言

在嵌入式系统开发中，串口通信是最基础也是最重要的调试手段之一。本文将详细介绍如何在Raspberry Pi 4裸机环境下通过UART串口实现"Hello World"输出，这是操作系统开发中一个重要的里程碑。

UART串口通信基础

UART(Universal Asynchronous Receiver/Transmitter)是一种异步串行通信协议，它只需要两根信号线(TX和RX)就能实现全双工通信。在嵌入式开发中，UART常用于：

系统调试信息输出
设备间通信
固件更新

Raspberry Pi 4内置了多个UART控制器，我们将使用其中的Mini UART来实现基础通信功能。

硬件准备

要实现PC与RPi4的串口通信，需要以下硬件：

USB转TTL串口线（推荐使用CP2102或PL2303芯片的转换器）
Raspberry Pi 4开发板
杜邦线若干

接线方式如下：

串口线的GND连接RPi4的GPIO Pin6(GND)
串口线的RX连接RPi4的GPIO Pin8(TXD)
串口线的TX连接RPi4的GPIO Pin10(RXD)

注意：不要连接电源线(VCC)，RPi4应由独立电源供电。

软件配置

开发机终端设置

在PC端需要使用终端模拟软件，配置参数如下：

波特率：115200
数据位：8
停止位：1
校验位：无
流控制：无

RPi4固件配置

在SD卡的config.txt文件中添加以下配置：

core_freq_min=500

这一行确保UART时钟稳定，保证通信可靠性。

代码实现

工程结构

项目包含以下关键文件：

kernel.c：主程序入口
io.h：硬件抽象层接口声明
io.c：硬件操作具体实现

主程序实现

kernel.c中实现了简单的main函数：

#include "io.h"

void main()
{
    uart_init();          // 初始化UART
    uart_writeText("Hello world!\n");  // 发送字符串
    while (1);           // 主循环
}

硬件抽象层实现

io.h中定义了硬件操作接口：

void uart_init();
void uart_writeText(char *buffer);

io.c中实现了完整的UART驱动，包含以下关键部分：

GPIO控制：设置引脚功能和上下拉

void gpio_useAsAlt5(unsigned int pin_number) {
    gpio_pull(pin_number, Pull_None);
    gpio_function(pin_number, GPIO_FUNCTION_ALT5);
}

UART初始化：配置通信参数

void uart_init() {
    mmio_write(AUX_ENABLES, 1); // 启用UART1
    mmio_write(AUX_MU_LCR_REG, 3); // 8位数据
    mmio_write(AUX_MU_BAUD_REG, AUX_MU_BAUD(115200)); // 波特率115200
    gpio_useAsAlt5(14); // GPIO14作为TXD
    gpio_useAsAlt5(15); // GPIO15作为RXD
    mmio_write(AUX_MU_CNTL_REG, 3); // 启用收发
}

数据发送：实现阻塞式发送

void uart_writeByteBlockingActual(unsigned char ch) {
    while (!uart_isWriteByteReady()); // 等待发送就绪
    mmio_write(AUX_MU_IO_REG, (unsigned int)ch);
}