harmony 鸿蒙UART

2022-08-09
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UART

概述

功能简介

UART指异步收发传输器（Universal Asynchronous Receiver/Transmitter），是通用串行数据总线，用于异步通信。该总线双向通信，可以实现全双工传输。

两个UART设备的连接示意图如下，UART与其他模块一般用2线（图1）或4线（图2）相连，它们分别是：

TX：发送数据端，和对端的RX相连。
RX：接收数据端，和对端的TX相连。
RTS：发送请求信号，用于指示本设备是否准备好，可接受数据，和对端CTS相连。
CTS：允许发送信号，用于判断是否可以向对端发送数据，和对端RTS相连。

图 1 2线UART设备连接示意图

2线UART设备连接示意图

图 2 4线UART设备连接示意图

4线UART设备连接示意图

UART通信之前，收发双方需要约定好一些参数：波特率、数据格式（起始位、数据位、校验位、停止位）等。通信过程中，UART通过TX发送给对端数据，通过RX接收对端发送的数据。当UART接收缓存达到预定的门限值时，RTS变为不可发送数据，对端的CTS检测到不可发送数据，则停止发送数据。

基本概念

异步通信

异步通信中，数据通常以字符或者字节为单位组成字符帧传送。字符帧由发送端逐帧发送，通过传输线被接收设备逐帧接收。发送端和接收端可以由各自的时钟来控制数据的发送和接收，这两个时钟源彼此独立，互不同步。异步通信以一个字符为传输单位，通信中两个字符间的时间间隔是不固定的，然而在同一个字符中的两个相邻位代码间的时间间隔是固定的。
全双工传输（Full Duplex）

此通信模式允许数据在两个方向上同时传输，它在能力上相当于两个单工通信方式的结合。全双工可以同时进行信号的双向传输。

运作机制

在HDF框架中，UART接口适配模式采用独立服务模式（如图3所示）。在这种模式下，每一个设备对象会独立发布一个设备服务来处理外部访问，设备管理器收到API的访问请求之后，通过提取该请求的参数，达到调用实际设备对象的相应内部方法的目的。独立服务模式可以直接借助HDF设备管理器的服务管理能力，但需要为每个设备单独配置设备节点，增加内存占用。

独立服务模式下，核心层不会统一发布一个服务供上层使用，因此这种模式下驱动要为每个控制器发布一个服务，具体表现为：

驱动适配者需要实现HdfDriverEntry的Bind钩子函数以绑定服务。
device_info.hcs文件中deviceNode的policy字段为1或2，不能为0。

UART模块各分层作用：

接口层提供打开UART设备、UART设备读取指定长度数据、UART设备写入指定长度数据、设置UART设备波特率、获取设UART设备波特率、设置UART设备属性、获取UART设备波特率、设置UART设备传输模式、关闭UART设备的接口。
核心层主要提供UART控制器的创建、移除以及管理的能力，通过钩子函数与适配层交互。
适配层主要是将钩子函数的功能实例化，实现具体的功能。

图 3 UART独立服务模式结构图

UART独立服务模式结构图

开发指导

场景介绍

UART模块应用比较广泛，主要用于实现设备之间的低速串行通信，例如输出打印信息，当然也可以外接各种模块，如GPS、蓝牙等。当驱动开发者需要将UART设备适配到OpenHarmony时，需要进行UART驱动适配。下文将介绍如何进行UART驱动适配。

接口说明

为了保证上层在调用UART接口时能够正确的操作UART控制器，核心层在//drivers/hdf_core/framework/support/platform/include/uart/uart_core.h中定义了以下钩子函数，驱动适配者需要在适配层实现这些函数的具体功能，并与钩子函数挂接，从而完成适配层与核心层的交互。

UartHostMethod定义：

struct UartHostMethod {
    int32_t (*Init)(struct UartHost *host);
    int32_t (*Deinit)(struct UartHost *host);
    int32_t (*Read)(struct UartHost *host, uint8_t *data, uint32_t size);
    int32_t (*Write)(struct UartHost *host, uint8_t *data, uint32_t size);
    int32_t (*GetBaud)(struct UartHost *host, uint32_t *baudRate);
    int32_t (*SetBaud)(struct UartHost *host, uint32_t baudRate);
    int32_t (*GetAttribute)(struct UartHost *host, struct UartAttribute *attribute);
    int32_t (*SetAttribute)(struct UartHost *host, struct UartAttribute *attribute);
    int32_t (*SetTransMode)(struct UartHost *host, enum UartTransMode mode);
    int32_t (*pollEvent)(struct UartHost *host, void *filep, void *table);
};

表 1 UartHostMethod结构体成员的回调函数功能说明

函数	入参	出参	返回值	功能
Init	host：结构体指针，核心层UART控制器	无	HDF_STATUS相关状态	初始化Uart设备
Deinit	host：结构体指针，核心层UART控制器	无	HDF_STATUS相关状态	去初始化Uart设备
Read	host：结构体指针，核心层UART控制器 size：uint32_t类型，接收数据大小	data：uint8_t类型指针，接收的数据	HDF_STATUS相关状态	接收数据RX
Write	host：结构体指针，核心层UART控制器 data：uint8_t类型指针，传入数据 size：uint32_t类型，发送数据大小	无	HDF_STATUS相关状态	发送数据TX
SetBaud	host：结构体指针，核心层UART控制器 baudRate：uint32_t类型，波特率传入值	无	HDF_STATUS相关状态	设置波特率
GetBaud	host：结构体指针，核心层UART控制器	baudRate：uint32_t类型指针，传出的波特率	HDF_STATUS相关状态	获取当前设置的波特率
GetAttribute	host：结构体指针，核心层UART控制器	attribute：结构体指针，传出的属性值（见uart_if.h中UartAttribute定义）	HDF_STATUS相关状态	获取设备uart相关属性
SetAttribute	host：结构体指针，核心层UART控制器 attribute：结构体指针，属性传入值	无	HDF_STATUS相关状态	设置设备UART相关属性
SetTransMode	host：结构体指针，核心层UART控制器 mode：枚举值（见uart_if.h中UartTransMode定义），传输模式	无	HDF_STATUS相关状态	设置传输模式
PollEvent	host：结构体指针，核心层UART控制器 filep：void类型指针filep table：void类型指针table	无	HDF_STATUS相关状态	poll轮询机制

开发步骤

UART模块适配HDF框架包含以下四个步骤：

实例化驱动入口
配置属性文件
实例化UART控制器对象
驱动调试

开发实例

下方将基于Hi3516DV300开发板以//device/soc/hisilicon/common/platform/uart/uart_hi35xx.c驱动为示例，展示需要驱动适配者提供哪些内容来完整实现设备功能。

实例化驱动入口

驱动入口必须为HdfDriverEntry（在hdf_device_desc.h中定义）类型的全局变量，且moduleName要和device_info.hcs中保持一致。HDF框架会将所有加载的驱动的HdfDriverEntry对象首地址汇总，形成一个类似数组的段地址空间，方便上层调用。

一般在加载驱动时HDF会先调用Bind函数，再调用Init函数加载该驱动。当Init调用异常时，HDF框架会调用Release释放驱动资源并退出。

UART驱动入口开发参考：
```
struct HdfDriverEntry g_hdfUartDevice = {
    .moduleVersion = 1,
    .moduleName = "HDF_PLATFORM_UART",    // 【必要且与HCS文件中里面的moduleName匹配】
    .Bind = HdfUartDeviceBind,            // 挂接UART模块Bind实例化
    .Init = HdfUartDeviceInit,            // 挂接UART模块Init实例化
    .Release = HdfUartDeviceRelease,      // 挂接UART模块Release实例化
};
HDF_INIT(g_hdfUartDevice);                // 调用HDF_INIT将驱动入口注册到HDF框架中
```
配置属性文件

完成驱动入口注册之后，需要在device_info.hcs文件中添加deviceNode信息，deviceNode信息与驱动入口注册相关。本例以两个UART控制器为例，如有多个器件信息，则需要在device_info.hcs文件增加对应的deviceNode信息，以及在uart_config.hcs文件中增加对应的器件属性。器件属性值与核心层UartHost成员的默认值或限制范围有密切关系，比如UART设备端口号，需要在uart_config.hcs文件中增加对应的器件属性。

独立服务模式的特点是device_info.hcs文件中设备节点代表着一个设备对象，如果存在多个设备对象，则按需添加，注意服务名与驱动私有数据匹配的关键字名称必须唯一。其中各项参数如表2所示：

表 2 device_info.hcs节点参数说明

- device_info.hcs 配置参考：

    在//vendor/hisilicon/hispark_taurus/hdf_config/device_info/device_info.hcs文件中添加deviceNode描述。

    ```c
    root {
        device_info {
            match_attr = "hdf_manager";
            platform :: host {
                hostName = "platform_host";
                priority = 50;
                device_uart :: device {
                    device0 :: deviceNode {
                        policy = 1;                                   // 驱动服务发布的策略，policy大于等于1（用户态可见为2，仅内核态可见为1）。
                        priority = 40;                                // 驱动启动优先级
                        permission = 0644;                            // 驱动创建设备节点权限
                        moduleName = "HDF_PLATFORM_UART";             // 驱动名称，该字段的值必须和驱动入口结构的moduleName值一致。
                        serviceName = "HDF_PLATFORM_UART_0";          // 驱动对外发布服务的名称，必须唯一，必须要按照HDF_PLATFORM_UART_X的格式，X为UART控制器编号。
                        deviceMatchAttr = "hisilicon_hi35xx_uart_0";  // 驱动私有数据匹配的关键字，必须和驱动私有数据配置表中的match_attr值一致。
                    }
                    device1 :: deviceNode {
                      policy = 2;
                      permission = 0644;
                      priority = 40;
                      moduleName = "HDF_PLATFORM_UART"; 
                      serviceName = "HDF_PLATFORM_UART_1";
                      deviceMatchAttr = "hisilicon_hi35xx_uart_1";
                    }
                    ......                                            // 如果存在多个UART设备时【必须】添加节点，否则不用
                }
            }
        }
    }
    ```

- uart_config.hcs 配置参考：

    在//device/soc/hisilicon/hi3516dv300/sdk_liteos/hdf_config/uart/uart_config.hcs文件配置器件属性，其中配置参数如下：

    ```c
    root {
        platform {
            template uart_controller {                   // 配置模板，如果下面节点使用时继承该模板，则节点中未声明的字段会使用该模板中的默认值
                match_attr = "";
                num = 0;                                 // 【必要】端口号
                baudrate = 115200;                       // 【必要】波特率，数值可按需填写
                fifoRxEn = 1;                            // 【必要】使能接收FIFO
                fifoTxEn = 1;                            // 【必要】使能发送FIFO
                flags = 4;                               // 【必要】标志信号
                regPbase = 0x120a0000;                   // 【必要】地址映射需要
                interrupt = 38;                          // 【必要】中断号
                iomemCount = 0x48;                       // 【必要】地址映射需要
            }
            controller_0x120a0000 :: uart_controller {
                match_attr = "hisilicon_hi35xx_uart_0";  // 【必要】必须和device_info.hcs中对应的设备的deviceMatchAttr值一致
            }
            controller_0x120a1000 :: uart_controller {
                num = 1;
                baudrate = 9600;
                regPbase = 0x120a1000;
                interrupt = 39;
                match_attr = "hisilicon_hi35xx_uart_1";
            }
            ......                                       // 如果存在多个UART设备时【必须】添加节点，否则不用
        }
    }
    ```

    需要注意的是，新增uart_config.hcs配置文件后，必须在产品对应的hdf.hcs文件中将其包含如下语句所示，否则配置文件无法生效。

    例如：本例中uart_config.hcs所在路径为device/soc/hisilicon/hi3516dv300/sdk_liteos/hdf_config/uart/uart_config.hcs，则必须在产品对应的hdf.hcs中添加如下语句：

    ```c
    #include "../../../../device/soc/hisilicon/hi3516dv300/sdk_liteos/hdf_config/uart/uart_config.hcs" // 配置文件相对路径
    ```

实例化UART控制器对象

完成属性文件配置之后，下一步就是以核心层UartHost对象的初始化为核心，包括驱动适配者自定义结构体（传递参数和数据），实例化UartHost成员UartHostMethod（让用户可以通过接口来调用驱动底层函数），实现HdfDriverEntry成员函数（Bind、Init、Release）。

驱动适配者自定义结构体参考

从驱动的角度看，驱动适配者自定义结构体是参数和数据的载体，而且uart_config.hcs文件中的数值会被HDF读入并通过DeviceResourceIface来初始化结构体成员，一些重要数值也会传递给核心层对象，例如端口号。

struct UartPl011Port {                       // 驱动适配者自定义管脚描述结构体
    int32_t enable;
    unsigned long physBase;                  // 物理地址
    uint32_t irqNum;                         // 中断号
    uint32_t defaultBaudrate;                // 默认波特率
    uint32_t flags;                          // 标志信号，下面三个宏与之相关
#define PL011_FLG_IRQ_REQUESTED    (1 << 0)
#define PL011_FLG_DMA_RX_REQUESTED (1 << 1)
#define PL011_FLG_DMA_TX_REQUESTED (1 << 2)
    struct UartDmaTransfer *rxUdt;           // DMA传输相关
    struct UartDriverData *udd;
};
struct UartDriverData {                      // 数据传输相关的结构体
    uint32_t num;                            // 端口号
    uint32_t baudrate;                       // 波特率（可设置）
    struct UartAttribute attr;               // 数据位、停止位等传输属性相关
    struct UartTransfer *rxTransfer;         // 缓冲区相关，可理解为FIFO结构
    wait_queue_head_t wait;                  // 条件变量相关的排队等待信号
    int32_t count;                           // 数据数量
    int32_t state;                           // UART控制器状态
#define UART_STATE_NOT_OPENED 0
#define UART_STATE_OPENING    1
#define UART_STATE_USEABLE    2
#define UART_STATE_SUSPENDED  3
    uint32_t flags;                          // 状态标志
#define UART_FLG_DMA_RX       (1 << 0)
#define UART_FLG_DMA_TX       (1 << 1)
#define UART_FLG_RD_BLOCK     (1 << 2)
    RecvNotify recv;                         // 函数指针类型，指向串口数据接收函数
    struct UartOps *ops;                     // 自定义函数指针结构体
    void *private;                           // 私有数据
};


// UartHost是核心层控制器结构体，其中的成员在Init函数中会被赋值。
struct UartHost {
    struct IDeviceIoService service;         // 驱动服务
    struct HdfDeviceObject *device;          // 驱动设备对象
    uint32_t num;                            // 端口号
    OsalAtomic atom;                         // 原子量
    void *priv;                              // 私有数据
    struct UartHostMethod *method;           // 回调函数
};

UartHost成员回调函数结构体UartHostMethod的实例化。

// uart_hi35xx.c 中的示例：钩子函数的实例化
struct UartHostMethod g_uartHostMethod = {
    .Init = Hi35xxInit,                     // 初始化
    .Deinit = Hi35xxDeinit,                 // 去初始化
    .Read = Hi35xxRead,                     // 接收数据
    .Write = Hi35xxWrite,                   // 发送数据
    .SetBaud = Hi35xxSetBaud,               // 设置波特率
    .GetBaud = Hi35xxGetBaud,               // 获取波特率
    .SetAttribute = Hi35xxSetAttribute,     // 设置设备属性
    .GetAttribute = Hi35xxGetAttribute,     // 获取设备属性
    .SetTransMode = Hi35xxSetTransMode,     // 设置传输模式
    .pollEvent = Hi35xxPollEvent,           // 轮询
};

Bind函数开发参考

入参：

HdfDeviceObject：HDF框架给每一个驱动创建的设备对象，用来保存设备相关的私有数据和服务接口。

返回值：

HDF_STATUS相关状态（表3为部分展示，如需使用其他状态，可参考//drivers/hdf_core/interfaces/inner_api/utils/hdf_base.h中HDF_STATUS中HDF_STATUS定义）。

表 3 HDF_STATUS相关状态说明

函数说明：


初始化自定义结构体对象，初始化UartHost成员。


```c
//uart_hi35xx.c
static int32_t HdfUartDeviceBind(struct HdfDeviceObject *device)
{
    ......
    return (UartHostCreate(device) == NULL) ? HDF_FAILURE : HDF_SUCCESS; // 【必须】调用核心层函数UartHostCreate
}


// uart_core.c核心层UartHostCreate函数说明
struct UartHost *UartHostCreate(struct HdfDeviceObject *device)
{
    struct UartHost *host = NULL;                                        // 新建UartHost
    ......                                                                  
    host = (struct UartHost *)OsalMemCalloc(sizeof(*host));              // 分配内存
    ......
    host->device = device;                                               // 【必要】使HdfDeviceObject与UartHost可以相互转化的前提
    device->service = &(host->service);                                  // 【必要】使HdfDeviceObject与UartHost可以相互转化的前提
    host->device->service->Dispatch = UartIoDispatch;                    // 为service成员的Dispatch方法赋值
    OsalAtomicSet(&host->atom, 0);                                       // 原子量初始化或者原子量设置
    host->priv = NULL;
    host->method = NULL;
    return host;
}
```

Init函数开发参考

入参：

HdfDeviceObject：HDF框架给每一个驱动创建的设备对象，用来保存设备相关的私有数据和服务接口。

返回值：

HDF_STATUS相关状态。

函数说明：

初始化自定义结构体对象，初始化UartHost成员，调用核心层UartAddDev函数，完成UART控制器的添加，接入VFS。

int32_t HdfUartDeviceInit(struct HdfDeviceObject *device)
{
    int32_t ret;
    struct UartHost *host = NULL;
    HDF_LOGI("%s: entry", __func__);
    ......
    host = UartHostFromDevice(device);                                           // 通过service成员后强制转为UartHost，赋值是在Bind函数中
    ......                                    
    ret = Hi35xxAttach(host, device);                                            // 完成UartHost对象的初始化，见下
    ......                                   
    host->method = &g_uartHostMethod;                                            // UartHostMethod的实例化对象的挂载
    return ret;
}
// 完成UartHost对象的初始化。
static int32_t Hi35xxAttach(struct UartHost *host, struct HdfDeviceObject *device)
{
    int32_t ret;
    struct UartDriverData *udd = NULL;                                           // udd和port对象是驱动适配者自定义的结构体对象，可根据需要实现相关功能
    struct UartPl011Port *port = NULL;
    ......
    // 【必要】步骤【1】~【7】主要实现对udd对象的实例化赋值，然后赋值给核心层UartHost对象。
    udd = (struct UartDriverData *)OsalMemCalloc(sizeof(*udd));                  // 【1】
    ......
    port = (struct UartPl011Port *)OsalMemCalloc(sizeof(struct UartPl011Port));  // 【2】
    ......
    udd->ops = Pl011GetOps();                                                    // 【3】设备开启、关闭、属性设置、发送操作等函数挂载。
    udd->recv = PL011UartRecvNotify;                                             // 【4】数据接收通知函数（条件锁机制）挂载
    udd->count = 0;                                                              // 【5】
    port->udd = udd;                                                             // 【6】使UartPl011Port与UartDriverData可以相互转化的前提
    ret = UartGetConfigFromHcs(port, device->property);                          // 将HdfDeviceObject的属性传递给驱动适配者自定义结构体，用于相关操作，示例代码见下
    ......
    udd->private = port;                                                         // 【7】
    host->priv = udd;                                                            // 【必要】使UartHost与UartDriverData可以相互转化的前提
    host->num = udd->num;                                                        // 【必要】UART设备号
    UartAddDev(host);                                                            // 【必要】核心层uart_dev.c中的函数，作用：注册一个字符设备节点到vfs，这样从用户态可以通过这个虚拟文件节点访问UART  
    return HDF_SUCCESS;
}


static int32_t UartGetConfigFromHcs(struct UartPl011Port *port, const struct DeviceResourceNode *node)
{
    uint32_t tmp, regPbase, iomemCount;
    struct UartDriverData *udd = port->udd;
    struct DeviceResourceIface *iface = DeviceResourceGetIfaceInstance(HDF_CONFIG_SOURCE); 
    ......
    // 通过请求参数提取相应的值，并赋值给驱动适配者自定义的结构体。
    if (iface->GetUint32(node, "num", &udd->num, 0) != HDF_SUCCESS) {
        HDF_LOGE("%s: read busNum fail", __func__);
        return HDF_FAILURE;
    }
    ......
    return 0;
}

Release函数开发参考

入参：

HdfDeviceObject：HDF框架给每一个驱动创建的设备对象，用来保存设备相关的私有数据和服务接口。

返回值：

无。

函数说明：

该函数需要在驱动入口结构体中赋值给Release接口，当HDF框架调用Init函数初始化驱动失败时，可以调用Release释放驱动资源，该函数中需包含释放内存和删除控制器等操作。

说明：
所有强制转换获取相应对象的操作前提是在Init函数中具备对应赋值的操作。

void HdfUartDeviceRelease(struct HdfDeviceObject *device)
{
    struct UartHost *host = NULL;
    ...
    host = UartHostFromDevice(device);           // 这里有HdfDeviceObject到UartHost的强制转化，通过service成员，赋值见Bind函数。
    ...                                          
    if (host->priv != NULL) {                    
        Hi35xxDetach(host);                      // 驱动适配自定义的内存释放函数，见下。
    }                                            
    UartHostDestroy(host);                       // 调用核心层函数释放host
}


static void Hi35xxDetach(struct UartHost *host)
{
    struct UartDriverData *udd = NULL;
    struct UartPl011Port *port = NULL;
    ...
    udd = host->priv;                            // 这里有UartHost到UartDriverData的转化
    ...                                          
    UartRemoveDev(host);                         // VFS注销
    port = udd->private;                         // 这里有UartDriverData到UartPl011Port的转化
    if (port != NULL) {                          
        if (port->physBase != 0) {               
            OsalIoUnmap((void *)port->physBase); // 地址反映射
        }
        OsalMemFree(port);
        udd->private = NULL;
    }
    OsalMemFree(udd);                            // 释放UartDriverData
    host->priv = NULL;
}