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 = ; ## 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 use the file instead of the kernel log buffer
-f, --facility restrict output to defined facilities
-H, --human human readable output
-k, --kernel display kernel messages
-L, --color[=] colorize messages (auto, always or never)
colors are enabled by default
-l, --level restrict output to defined levels
-n, --console-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 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 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:[email protected]: Failed to get VBUS supply regulator
[ 1.639962] phy phy-ff770000.syscon:[email protected]: 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:/#
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