关键字 :NXP LPC1768 Serial Uart 3D Printer

一. 前言

Klipper 底层硬件的串口模块程序写的正确与否是决定下位机与上位机能否正常通信的前提，如果这个文件的驱动没写好，那上位机控制下位机就无从谈起，更无法通过上位机去验证下位机程序的正确性。

本篇博文将详细解析 Klipper src 文件夹下的 lpc176x 单片机的 serial.c，来分析其中的 API 函数的功能和作用，以此为新的平台的串口驱动的移植提供参考。

二. serial_init 函数

serial_init 函数主要是：

1. 对串口的根时钟进行初始化；

2. 设置通信配置：

波特率：通过设置分频系数（DLL 和 DLM）进行设置，前提是设置 LCR 的 bit7 为 1，即使能开启对除数锁存器的访问）；
字长（设置 LCR 的 [1:0] ，默认 8 个字节）
停止位（设置 LCR 的 bit2，默认 1 个停止位）
奇偶校验（设置 LCR 的 bit3 进行使能，默认不进行奇偶校验；[5:4] 选择发送数据的奇偶校验值，这里不深入研究）

图 1 为 LCR 的寄存器位描述：

图 1. LCR 寄存器位描述

代码及注释如下：

void
serial_init(void)
{
    // Setup baud
    enable_pclock(PCLK_UARTx); //使能 UART 时钟
    LPC_UARTx->LCR = (1<<7); // set DLAB bit 开启对除数锁存器的访问
    uint32_t pclk = get_pclock_frequency(PCLK_UARTx); //得到时钟频率
    uint32_t div = pclk / (CONFIG_SERIAL_BAUD * 16); //的分频系数
    LPC_UARTx->DLL = div & 0xff;  //设置分频系数低 8 位
    LPC_UARTx->DLM = (div >> 8) & 0xff;  //设置分频系数高 8 位
    LPC_UARTx->FDR = 0x10;   //取消预分频
    LPC_UARTx->LCR = 3; // 8N1 ; clear DLAB bit，设置停止位、奇偶校验、极性

    // Enable fifo
    LPC_UARTx->FCR = 0x01;  //使能 FIFO

    // Setup pins
    gpio_peripheral(GPIO_Rx, GPIO_FUNCTION_UARTx, 0);
    gpio_peripheral(GPIO_Tx, GPIO_FUNCTION_UARTx, 0);

    // Enable receive irq
    armcm_enable_irq(UARTx_IRQHandler, UARTx_IRQn, 0);
    LPC_UARTx->IER = 0x01;   //使能接收中断
}

三. 使能发送中断

程序使用 serial_enable_tx_irq API 函数来进行发送中断的使能：

1. 先要通过判断 LSR 寄存器的 bit5 位为 1 即发送 FIFO 里面没有数据，串口可以发送新的数据；
2. 之后在此函数中调用 kick_tx 函数来实现发送中断的使能。

void
serial_enable_tx_irq(void)
{
    if (LPC_UARTx->LSR & (1<<5)) {    //上一字节发送完成
        irqstatus_t flag = irq_save();
        kick_tx();  //发送一个字节后使能发送中断
        irq_restore(flag);
    }
}

对于 kick_tx 函数，其中的逻辑是：

1. 先向 THR 中写数据，然后判断到 THR 不为空之后，使能发送中断；
2. 数据由 serial_get_tx_byte 函数得到，此函数将遍历函数内部数组的数据，将其赋值给 data，然后向 THR 赋值，将 data 通过中断的方式发送出去；
3. 若数组遍历到尽头之后，变量 ret 将被赋值0为 -1，在 if(ret) 条件判断中，函数将通过设置 IER 寄存器，关闭发送中断，只使能接收中断。

// Write tx bytes to the serial port
static void kick_tx(void)
{
    for (;;) {
        if (!(LPC_UARTx->LSR & (1<<5))) {
            // Output fifo full - enable tx irq，有数据需要发送，使能发送中断
            LPC_UARTx->IER = 0x03;
            break;
        }
        uint8_t data;
        int ret = serial_get_tx_byte(&data);
        if (ret) {
            // No more data to send - disable tx irq
            LPC_UARTx->IER = 0x01;
            break;
        }
        LPC_UARTx->THR = data;
    }
}

图 2. IER 寄存器位描述
从图 2 的 IER 寄存器可以看到 0x01 对应的是 Enable 接收数据中断，0x03 则同时 Enable 了接收和发送中断。

四. 中断服务函数

中断服务函数将通过 IIR 寄存器判断是否达到了中断条件，若产生了 THRE 中断，即获取到 status 为 0x02，即数据发送寄存器 THR 为空，程序将产生串口中断，在程序使能发送中断时，在 kick_tx 中发出一个 FIFO 的数据，THR 将为空，程序将发生中断发送下一个 FIFO 的数据，直到 Disable 掉串口发送中断。

void UARTx_IRQHandler(void)
{
    uint32_t iir = LPC_UARTx->IIR, status = iir & 0x0f; //获取中断状态
    if (status == 0x04) //接收中断
        serial_rx_byte(LPC_UARTx->RBR);
    else if (status == 0x02)  //发送中断
        kick_tx();
}

图 3. IIR 寄存器的位描述

从图 3 的 IIR 寄存器可以看到 0x02 对应的是发生了接收数据中断，0x04 是出现了发送中断。

五. 总结

程序只有安照正确的逻辑编写 API 函数，Klipper 下位机驱动才可以适配上层的应用层代码，对于 serial.c 程序，核心是理解中断发送和接收的条件，在应用代码的基础上编写发送和接收函数。

完整代码如下：

// lpc176x serial port
//
// Copyright (C) 2018-2021  Kevin O'Connor <kevin@koconnor.net>
//
// This file may be distributed under the terms of the GNU GPLv3 license.

#include "board/armcm_boot.h" // armcm_enable_irq
#include "autoconf.h" // CONFIG_SERIAL_BAUD
#include "board/irq.h" // irq_save
#include "board/serial_irq.h" // serial_rx_data
#include "command.h" // DECL_CONSTANT_STR
#include "internal.h" // gpio_peripheral
#include "sched.h" // DECL_INIT

#if CONFIG_LPC_SERIAL_UART0_P03_P02
  DECL_CONSTANT_STR("RESERVE_PINS_serial", "P0.3,P0.2");
  #define GPIO_Rx GPIO(0, 3)
  #define GPIO_Tx GPIO(0, 2)
  #define GPIO_FUNCTION_UARTx 1
  #define LPC_UARTx LPC_UART0
  #define UARTx_IRQn UART0_IRQn
  #define PCLK_UARTx PCLK_UART0
#elif CONFIG_LPC_SERIAL_UART3_P429_P428
  DECL_CONSTANT_STR("RESERVE_PINS_serial", "P4.29,P4.28");
  #define GPIO_Rx GPIO(4, 29)
  #define GPIO_Tx GPIO(4, 28)
  #define GPIO_FUNCTION_UARTx 3
  #define LPC_UARTx LPC_UART3
  #define UARTx_IRQn UART3_IRQn
  #define PCLK_UARTx PCLK_UART3
#endif

// Write tx bytes to the serial port
static void
kick_tx(void)
{
    for (;;) {
        if (!(LPC_UARTx->LSR & (1<<5))) {
            // Output fifo full - enable tx irq，有数据需要发送，使能发送中断
            LPC_UARTx->IER = 0x03;
            break;
        }
        uint8_t data;
        int ret = serial_get_tx_byte(&data);
        if (ret) {
            // No more data to send - disable tx irq
            LPC_UARTx->IER = 0x01;
            break;
        }
        LPC_UARTx->THR = data;
    }
}

void
UARTx_IRQHandler(void)
{
    uint32_t iir = LPC_UARTx->IIR, status = iir & 0x0f; //获取中断状态
    if (status == 0x04) //接收中断
        serial_rx_byte(LPC_UARTx->RBR);
    else if (status == 0x02)  //发送中断
        kick_tx();
}

void
serial_enable_tx_irq(void)
{
    if (LPC_UARTx->LSR & (1<<5)) {    //上一字节发送完成
        irqstatus_t flag = irq_save();
        kick_tx();  //发送一个字节后使能发送中断
        irq_restore(flag);
    }
}

void
serial_init(void)
{
    // Setup baud
    enable_pclock(PCLK_UARTx); //使能 UART 时钟
    LPC_UARTx->LCR = (1<<7); // set DLAB bit 开启对除数锁存器的访问
    uint32_t pclk = get_pclock_frequency(PCLK_UARTx); //得到时钟频率
    uint32_t div = pclk / (CONFIG_SERIAL_BAUD * 16); //的分频系数
    LPC_UARTx->DLL = div & 0xff;  //设置分频系数低 8 位
    LPC_UARTx->DLM = (div >> 8) & 0xff;  //设置分频系数高 8 位
    LPC_UARTx->FDR = 0x10;   //取消预分频
    LPC_UARTx->LCR = 3; // 8N1 ; clear DLAB bit，设置停止位、奇偶校验、极性

    // Enable fifo
    LPC_UARTx->FCR = 0x01;  //使能 FIFO

    // Setup pins
    gpio_peripheral(GPIO_Rx, GPIO_FUNCTION_UARTx, 0);
    gpio_peripheral(GPIO_Tx, GPIO_FUNCTION_UARTx, 0);

    // Enable receive irq
    armcm_enable_irq(UARTx_IRQHandler, UARTx_IRQn, 0);
    LPC_UARTx->IER = 0x01;   //使能接收中断
}
DECL_INIT(serial_init);

六. 参考文献

1. 来源：NXP 官网，UM10360

https://cache.nxp.com.cn/secured/assets/documents/en/user-guide/UM10360.pdf?__gda__=1691330313_7e7ff4dc07b407f1f53a3abfc9680f42&fileExt=.pdf

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