Linux内核UART

在嵌入式系统中，串口既可以用于输出日志进行系统调试，又可以用于短距离低速通信，是一种非常实用的通信端口。

本文基于RockPI 4A单板Linux 4.4内核介绍RK3399 UART功能。

一、UART介绍

UART(Universal Asynchronous Receiver/Transmitter)：通用异步收发器，适用于短距离、低速、串行和全双工数据传输。

在PC中，串口一般指COM口，即串行通讯端口。有9个引脚，使用RS-232电平。

在嵌入式中，串口一般指UART口。一般使用3个引脚，使用TTL电平。

TTL/RS-232/RS-485是指电平标准，差别如下：

电平标准	逻辑0	逻辑1	传输方式
TTL电平	0 ~ 0.4V	2.4 ~ 5V	全双工
RS-232电平	3 ~ 15V	-15 ~ -3V	全双工
RS-485电平	-6 ~ -2V	2 ~ 6V	半双工(差分传输，距离更长)

在嵌入式单板调试时，可以选择USB转TTL模块，实现PC和单板之间的串口通讯，见下图：

image.png
RK3399 UART控制器特性：

1、支持5路串口。

2、支持DMA或中断传输模式。

3、支持2个64字节的发送和接收FIFO。

4、支持5/6/7/8bit串行数据发送或接收。

5、支持启动、停止和奇偶校验等标准异步通信位。

6、最大可支持到4Mbps的时钟波特率。

7、UART0/3支持自动流控模式。

RK3399 UART引脚描述见下图：

image.png

二、UART连接

ROCKPi 4A单板有个40个引脚的扩展口，引用radxa图片，见下图：

image.png
RockPI 4A单板的UART2作为调试串口，和USB转TTL串口的引脚连接方式如下：

RockPI4A单板	USB转TTL串口
PIN8（UART2_TXD）	RXD
PIN9（GND）	GND
PIN10（UART2_RXD）	TXD

RockPI 4A单板的调试串口配置见下图：

image.png
连接串口时，必须先保证GND连接正确，其次查看串口引脚电平是否兼容，串口参数配置是否正确，否则容易出现串口不可用或乱码。

三、UART配置

以ROCKPI 4A单板为例，介绍RK3399 DTS中UART配置。

3.1、串口别名

普通串口设备会根据dts中aliases对串口进行编号，将serialx注册成对应的ttySx设备。

配置文件：arch/arm64/boot/dts/rockchip/rk3399.dtsi。

RK3399 DTS中aliases定义如下：

    aliases {
        ...
        serial0 = &uart0;
        serial1 = &uart1;
        serial2 = &uart2;
        serial3 = &uart3;
        serial4 = &uart4;
    };

如果将UART4修改注册成ttyS1，可以进行如下修改：

    aliases {
        ...
        serial0 = &uart0;
        serial1 = &uart4;  ## 使用uart4替换uart1
        ...
        serial4 = &uart1;
    };

3.2、串口配置

配置文件：arch/arm64/boot/dts/rockchip/rk3399.dtsi。

UART0 dts配置如下：

    uart0: serial@ff180000 {
        compatible = "rockchip,rk3399-uart", "snps,dw-apb-uart";
        reg = <0x0 0xff180000 0x0 0x100>;               ## uart0寄存器地址0xff180000和映射大小0x100
        clocks = <&cru SCLK_UART0>, <&cru PCLK_UART0>;  ## uart0使用的时钟
        clock-names = "baudclk", "apb_pclk";
        interrupts = <GIC_SPI 99 IRQ_TYPE_LEVEL_HIGH 0>; ## uart0使用SPI中断，中断号131(99+32)，没有使用DMA模式
        reg-shift = <2>;            ## 寄存器地址偏移2位，即offset+4
        reg-io-width = <4>;         ## 寄存器位宽,即32位。
        pinctrl-names = "default";
        pinctrl-0 = <&uart0_xfer &uart0_cts &uart0_rts>; ## uart0使用流控引脚
        status = "disabled";  ## 默认关闭状态
    };

UART0 pinmux配置，其中包括流控引脚cts/rts。

    uart0 {
        uart0_xfer: uart0-xfer {
            rockchip,pins =
                <2 16 RK_FUNC_1 &pcfg_pull_up>,
                <2 17 RK_FUNC_1 &pcfg_pull_none>;
        };

        uart0_cts: uart0-cts {
            rockchip,pins =
                <2 18 RK_FUNC_1 &pcfg_pull_none>;
        };

        uart0_rts: uart0-rts {
            rockchip,pins =
                <2 19 RK_FUNC_1 &pcfg_pull_none>;
        };
    };

注：

RK3399 UART0中断号为131。SPI中断号从32开始，dts中的SPI中断号默认从0开始，所以UART0配置的中断号为：131-32，即99。

image.png
系统启动后，可查看串口中断（131和132）：

root@xiaotianbsp:/# cat proc/interrupts
           CPU0       CPU1       CPU2       CPU3       CPU4       CPU5
 14:          0          0          0          0          0          0     GICv3  29 Edge      arch_timer
...
 35:         16          0          0          0          0          0     GICv3 131 Level     serial
...
222:        301          0          0          0          0          0     GICv3 132 Level     debug
...
Err:          0

3.3、串口使能

配置文件：arch/arm64/boot/dts/rockchip/rockpi-4-linux.dtsi。

UART0 dts使能配置如下：

&uart0 {
    pinctrl-names = "default";
    pinctrl-0 = <&uart0_xfer &uart0_cts>;
    status = "okay";  ## okay：打开串口功能; disabled:关闭该串口功能。
};

&uart2 {
    status = "okay"; ## 使能串口2
};

注：

status = "okay"或"ok"，而不能用enable。

内核解析代码如下：

static bool __of_device_is_available(const struct device_node *device)
{
    ...
    status = __of_get_property(device, "status", &statlen);
    ...

    if (statlen > 0) {
        if (!strcmp(status, "okay") || !strcmp(status, "ok"))
            return true;
    }

    return false;
}

3.4、ttyFIQ0

系统使用/dev/ttyFIQ0作为console设备。

配置文件：arch/arm64/boot/dts/rockchip/rockpi-4-linux.dtsi，内容如下：

    fiq_debugger: fiq-debugger {
        status = "disabled";            
        compatible = "rockchip,fiq-debugger";
        rockchip,serial-id = <2>;       ## 使用串口号(UART2),修改该属性的值，切换串口，同时切换串口的pinmux
        rockchip,signal-irq = <182>;
        rockchip,wake-irq = <0>;
        rockchip,irq-mode-enable = <1>;  /* If enable uart uses irq instead of fiq */
        rockchip,baudrate = <1500000>;  /* Only 115200 and 1500000 */
        pinctrl-names = "default";
        pinctrl-0 = <&uart2c_xfer>;     ## pinmux必须和serial-id对应
    };

RockPI 4A单板使用的Debian系统，在配置文件extlinux.conf中设置console参数。

root@xiaotianbsp:/boot/extlinux# cat extlinux.conf
timeout 10
menu title select kernel

label kernel-4.4.154-90-rockchip-ga14f6502e045
    kernel /vmlinuz-4.4.154-90-rockchip-ga14f6502e045
    devicetreedir /dtbs/4.4.154-90-rockchip-ga14f6502e045
    ## 使能early printk，ttyFIQ0做为console设备，串口波特率1.5M，8个数据位，1个停止位
    append earlyprintk console=ttyFIQ0,1500000n8 init=/sbin/init root=PARTUUID=b921b045-1d rw rootwait rootfstype=ext4

系统启动后，可通过cmdline查看。

root@xiaotianbsp:~# cat /proc/cmdline
earlyprintk console=ttyFIQ0,1500000n8 init=/sbin/init root=PARTUUID=b921b045-1d rw rootwait rootfstype=ext4

四、UART驱动

RK3399 Linux4.4内核UART驱动采用8250通用驱动，类型是16550A。主要实现文件：

drivers/tty/serial/8250/8250_dma.c     ## UART dma实现
drivers/tty/serial/8250/8250_dw.c      ## Synopsys DesignWare 8250串口驱动
drivers/tty/serial/8250/8250_early.c   ## early console实现
drivers/tty/serial/8250/8250_port.c    ## UART端口配置的相关接口

UART驱动和调试后续介绍。

五、内核日志调试

在嵌入式Linux系统中，最常见的就是使用串口输出内核日志进行功能调试。

5.1、printk

在Linux内核中，可用函数printk()将内核信息输出到内核信息缓冲区中。

内核日志输出分不同的等级，定义文件：include/linux/kern_levels.h，包括：

#define LOGLEVEL_EMERG          0       /* system is unusable */
#define LOGLEVEL_ALERT          1       /* action must be taken immediately */
#define LOGLEVEL_CRIT           2       /* critical conditions */
#define LOGLEVEL_ERR            3       /* error conditions */
#define LOGLEVEL_WARNING        4       /* warning conditions */
#define LOGLEVEL_NOTICE         5       /* normal but significant condition */
#define LOGLEVEL_INFO           6       /* informational */
#define LOGLEVEL_DEBUG          7       /* debug-level messages */

除printk()函数外，还可以使用pr_**()和dev_**()。

pr_**定义文件：include/linux/printk.h，宏定义如下：

#define pr_emerg(fmt, ...) \
    printk(KERN_EMERG pr_fmt(fmt), ##__VA_ARGS__)
#define pr_alert(fmt, ...) \
    printk(KERN_ALERT pr_fmt(fmt), ##__VA_ARGS__)
#define pr_crit(fmt, ...) \
    printk(KERN_CRIT pr_fmt(fmt), ##__VA_ARGS__)
#define pr_err(fmt, ...) \
    printk(KERN_ERR pr_fmt(fmt), ##__VA_ARGS__)
#define pr_warning(fmt, ...) \
    printk(KERN_WARNING pr_fmt(fmt), ##__VA_ARGS__)
#define pr_warn pr_warning
#define pr_notice(fmt, ...) \
    printk(KERN_NOTICE pr_fmt(fmt), ##__VA_ARGS__)
#define pr_info(fmt, ...) \
    printk(KERN_INFO pr_fmt(fmt), ##__VA_ARGS__)

dev_**定义文件：drivers/base/core.c，函数定义如下：

#define define_dev_printk_level(func, kern_level)       \
void func(const struct device *dev, const char *fmt, ...)   \
{                               \
    struct va_format vaf;                   \
    va_list args;                       \
                                \
    va_start(args, fmt);                    \
                                \
    vaf.fmt = fmt;                      \
    vaf.va = &args;                     \
                                \
    __dev_printk(kern_level, dev, &vaf);            \
                                \
    va_end(args);                       \
}                               \
EXPORT_SYMBOL(func);

define_dev_printk_level(dev_emerg, KERN_EMERG);
define_dev_printk_level(dev_alert, KERN_ALERT);
define_dev_printk_level(dev_crit, KERN_CRIT);
define_dev_printk_level(dev_err, KERN_ERR);
define_dev_printk_level(dev_warn, KERN_WARNING);
define_dev_printk_level(dev_notice, KERN_NOTICE);
define_dev_printk_level(_dev_info, KERN_INFO);

5.1.1、日志输出等级

通过修改loglevel或/proc/sys/kernel/printk的值可以调整内核日志输出等级。

在系统启动前，通过配置loglevel，可以调整串口日志输出等。

root@xiaotianbsp:~# cat /boot/extlinux/extlinux.conf
...
label kernel-debug
    kernel /debug/Image
    fdt /debug/rk3399-rock-pi-4a.dtb
    ## 修改loglevel调整串口输出日志等级
    append earlyprintk console=ttyFIQ0,1500000n8 loglevel=4 init=/sbin/init root=PARTUUID=b921b045-1d rw rootwait rootfstype=ext4 no_console_suspend initcall_debug

其他系统（如：Ubuntun、Buildroot或Android），一般在bootargs中修改loglevel。

注：

no_console_suspend用于Linux系统电源管理调试，表示系统休眠（suspend）后，串口不休眠，仍可输出。

在系统启动后，也可动态调整串口日志输出等级。

root@xiaotianbsp:/proc/sys/kernel# cat printk
7       4       1       7
root@xiaotianbsp:/proc/sys/kernel# echo 4 > printk
root@xiaotianbsp:/proc/sys/kernel# cat printk
4       4       1       7

printk中的数字对应不同的日志级别，只要修改console口的日志级别即可。

int console_printk[4] = {
        CONSOLE_LOGLEVEL_DEFAULT,       /* console_loglevel */          ## 控制台的日志级别
        MESSAGE_LOGLEVEL_DEFAULT,       /* default_message_loglevel */  ## 默认消息日志级别
        CONSOLE_LOGLEVEL_MIN,           /* minimum_console_loglevel */  ## 最小控制台日志级别
        CONSOLE_LOGLEVEL_DEFAULT,       /* default_console_loglevel */  ## 默认控制台日志级别
};

5.1.2、日志时间戳

在系统启动后，可以动态调整内核日志时间戳的显示。

## 1.time值为Y，表示显示时间戳
root@xiaotianbsp:/# cat /sys/module/printk/parameters/time
Y
## 2.此时日志显示有时间戳
root@xiaotianbsp:/# find . -name time
[ 1719.836194] FAT-fs (sda4): error, invalid access to FAT (entry 0x07b03538)
[ 1719.836874] FAT-fs (sda4): error, invalid access to FAT (entry 0x07b03538) 
## 3.设置time值为N
root@xiaotianbsp:/# echo N > /sys/module/printk/parameters/time
## 4.此时日志显示有时间戳
root@xiaotianbsp:/# find . -name time
FAT-fs (sda4): error, invalid access to FAT (entry 0x07b03538)
FAT-fs (sda4): error, invalid access to FAT (entry 0x07b03538)

5.2、dmesg

在系统启动后，如果已经错过内核启动阶段或使用非串口（例：adb/ssh登录）连接调试板，可以使用dmesg查看内核日志。

dmesg用法如下：

root@xiaotianbsp:/# dmesg -h

Usage:
 dmesg [options]

Display or control the kernel ring buffer.

Options:
 -C, --clear                 clear the kernel ring buffer
 -c, --read-clear            read and clear all messages
 -D, --console-off           disable printing messages to console
 -E, --console-on            enable printing messages to console
 -F, --file <file>           use the file instead of the kernel log buffer
 -f, --facility <list>       restrict output to defined facilities
 -H, --human                 human readable output
 -k, --kernel                display kernel messages
 -L, --color[=<when>]        colorize messages (auto, always or never)
                               colors are enabled by default
 -l, --level <list>          restrict output to defined levels
 -n, --console-level <level> set level of messages printed to console
 -P, --nopager               do not pipe output into a pager
 -r, --raw                   print the raw message buffer
 -S, --syslog                force to use syslog(2) rather than /dev/kmsg
 -s, --buffer-size <size>    buffer size to query the kernel ring buffer
 -u, --userspace             display userspace messages
 -w, --follow                wait for new messages
 -x, --decode                decode facility and level to readable string
 -d, --show-delta            show time delta between printed messages
 -e, --reltime               show local time and time delta in readable format
 -T, --ctime                 show human-readable timestamp (may be inaccurate!)
 -t, --notime                don't show any timestamp with messages
     --time-format <format>  show timestamp using the given format:
                               [delta|reltime|ctime|notime|iso]
Suspending/resume will make ctime and iso timestamps inaccurate.

 -h, --help     display this help and exit
 -V, --version  output version information and exit

Supported log facilities:
    kern - kernel messages
    user - random user-level messages
    mail - mail system
  daemon - system daemons
    auth - security/authorization messages
  syslog - messages generated internally by syslogd
     lpr - line printer subsystem
    news - network news subsystem

Supported log levels (priorities):
   emerg - system is unusable
   alert - action must be taken immediately
    crit - critical conditions
     err - error conditions
    warn - warning conditions
  notice - normal but significant condition
    info - informational
   debug - debug-level messages


For more details see dmesg(1).

5.2.1、显示内核日志

root@xiaotianbsp:/# dmesg
[    0.000000] Booting Linux on physical CPU 0x0
[    0.000000] Initializing cgroup subsys cpuset
[    0.000000] Initializing cgroup subsys cpu
[    0.000000] Initializing cgroup subsys cpuacct
[    0.000000] Linux version 4.4.154-90-rockchip-ga14f6502e045 (root@2705a206000b) (gcc version 7.3.1 20180425 [linaro-7.3-2018.05 revision d29120a424ecfbc167ef90065c0eeb7f91977701] (Linaro GCC 7.3-2018.05) ) #22 SMP Tue Jul 30 10:32:28 UTC 2019

5.2.2、限制日志输出等级

## 仅输出error信息
root@xiaotianbsp:/# dmesg -l err
[    2.170152] rockchip-pcie f8000000.pcie: PCIe link training gen1 timeout!
[    2.175658] rk-vcodec ff650000.vpu_service: could not find power_model node
[    2.180010] rk-vcodec ff660000.rkvdec: could not find power_model node
[    2.200359] rockchip-vop ff900000.vop: missing rockchip,grf property
[    2.201913] rockchip-vop ff8f0000.vop: missing rockchip,grf property
[    2.203632] i2c i2c-9: of_i2c: modalias failure on /hdmi@ff940000/ports
[    2.240381] mali ff9a0000.gpu: Failed to get regulator
[    2.240839] mali ff9a0000.gpu: Power control initialization failed
[    2.260317] rk_gmac-dwmac fe300000.ethernet: cannot get clock clk_mac_speed

## 同时输出error和warning信息
root@xiaotianbsp:/# dmesg -l err,warn
[    0.000000] rockchip_clk_register_frac_branch: could not find dclk_vop0_frac as parent of dclk_vop0, rate changes may not work
[    0.000000] rockchip_clk_register_frac_branch: could not find dclk_vop1_frac as parent of dclk_vop1, rate changes may not work
[    0.000000] rockchip_cpuclk_pre_rate_change: limiting alt-divider 33 to 31
[    1.589058] thermal thermal_zone1: power_allocator: sustainable_power will be estimated
[    1.637902] phy phy-ff770000.syscon:usb2-phy@e450.1: Failed to get VBUS supply regulator
[    1.639962] phy phy-ff770000.syscon:usb2-phy@e460.3: Failed to get VBUS supply regulator
[    2.170152] rockchip-pcie f8000000.pcie: PCIe link training gen1 timeout!

5.2.3、查找某条信息

root@xiaotianbsp:~# dmesg | grep rockchip-vop
[    2.197270] rockchip-vop ff900000.vop: missing rockchip,grf property
[    2.198853] rockchip-vop ff8f0000.vop: missing rockchip,grf property
root@xiaotianbsp:~# dmesg | grep xiaotianbsp
root@xiaotianbsp:~#

5.2.4、清空环形缓冲区信息

root@xiaotianbsp:/# dmesg -c
[    0.000000] Booting Linux on physical CPU 0x0
[    0.000000] Initializing cgroup subsys cpuset
[    0.000000] Initializing cgroup subsys cpu
[    0.000000] Initializing cgroup subsys cpuacct
...
root@xiaotianbsp:/# dmesg
root@xiaotianbsp:/#

dmesg更多用法大家可以自行测试。

注：转载请注明作者和出处。