Linux内核早期打印机制与RS485通信技术

往期内容

本专栏往期内容：Uart子系统

  1. UART串口硬件介绍
  2. 深入理解TTY体系：设备节点与驱动程序框架详解
  3. Linux串口应用编程：从UART到GPS模块及字符设备驱动
  4. 解UART 子系统：Linux Kernel 4.9.88 中的核心结构体与设计详解
  5. IMX 平台UART驱动情景分析：注册篇
  6. IMX 平台UART驱动情景分析：open篇
  7. IMX 平台UART驱动情景分析：read篇–从硬件驱动到行规程的全链路剖析
  8. IMX 平台UART驱动情景分析：write篇–从 TTY 层到硬件驱动的写操作流程解析
  9. 深入浅出UART驱动开发与调试：从基础调试到虚拟驱动实现
    10.Linux 内核日志系统—printk的机制与应用

interrupt子系统专栏：

  1. 专栏地址：interrupt子系统
  2. Linux 链式与层级中断控制器讲解：原理与驱动开发
    – 末片，有专栏内容观看顺序

pinctrl和gpio子系统专栏：

  1. 专栏地址：pinctrl和gpio子系统

  2. 编写虚拟的GPIO控制器的驱动程序：和pinctrl的交互使用

    – 末片，有专栏内容观看顺序

input子系统专栏：

  1. 专栏地址：input子系统
  2. input角度：I2C触摸屏驱动分析和编写一个简单的I2C驱动程序
    – 末片，有专栏内容观看顺序

I2C子系统专栏：

  1. 专栏地址：IIC子系统
  2. 具体芯片的IIC控制器驱动程序分析：i2c-imx.c-CSDN博客
    – 末篇，有专栏内容观看顺序

总线和设备树专栏：

  1. 专栏地址：总线和设备树
  2. 设备树与 Linux 内核设备驱动模型的整合-CSDN博客
    – 末篇，有专栏内容观看顺序

img

目录

  • 往期内容
  • 前言
  • 1.early_printk和earlycon
    • 1.1 内核信息的早期打印
    • 1.2 early_printk
    • 1.3 earlycon
  • 2.RS485简单讲解
    • 2.1 RS485线路图
    • 2.2 RS485应用编程
      • 2.2.1 标准用法
      • 2.2.2 自己控制引脚
    • 2.3 驱动速览
      • 2.3.1 使用GPIO的RS485驱动

前言

本文围绕Linux内核早期打印机制和RS485通信技术展开，详细解析了early_printk和earlycon的实现与使用场景，以及RS485的基础原理和应用实践。在早期打印部分，阐明了early_printk和earlycon的区别：前者通过手动实现打印函数实现早期日志输出，后者则结合设备树实现灵活硬件映射，适用于现代系统。在RS485部分，介绍了其差分信号传输、抗干扰能力强等技术特点，并结合SP3485芯片说明了发送与接收的硬件原理，同时提供了Linux环境下的标准驱动编程示例，涵盖RTS控制模式与GPIO实现方式。

1.early_printk和earlycon

linux 4.9.88

  • arch\arm\kernel\early_printk.c📎early_printk.c
  • drivers\tty\serial\earlycon.c📎earlycon.c

1.1 内核信息的早期打印

console驱动，它属于uart_driver的一部分。

注册了uart_driver、并调用uart_add_one_port后，它里面才注册console，在这之后才能使用printk。

如果想更早地使用printk函数，比如在安装UART驱动之前就使用printk，这时就需要自己去注册console。

更早地、单独地注册console，有两种方法：

  • early_printk：自己实现write函数，不涉及设备树，简单明了
  • earlycon：通过设备树传入硬件信息，跟内核中驱动程序匹配

earlycon是新的、推荐的方法，在内核已经有驱动的前提下，通过设备树或cmdline指定寄存器地址即可。

1.2 early_printk

源码为：arch\arm\kernel\early_printk.c，要使用它，必须实现这几点：

  • 配置内核，选择：CONFIG_EARLY_PRINTK
  • 内核中实现：printch函数
  • cmdline中添加：earlyprintk

img

1.3 earlycon

arch\arm\kernel\early_printk.c📎early_printk.c

drivers\tty\serial\earlycon.c📎earlycon.c

提供硬件信息的两种方法：

earlycon就是early console的意思，实现的功能跟earlyprintk是一样的，只是更灵活。

我们知道，对于console，最主要的是里面的write函数：它不使用中断，相对简单。

所以很多串口console的write函数，只要确定寄存器的地址就很容易实现了。

假设芯片的串口驱动程序，已经在内核里实现了，我们需要根据板子的配置给它提供寄存器地址。

怎么提供？

  • 设备树
  • cmdline参数
early_param("earlycon", param_setup_earlycon);
//如上图所示，当在cmdline参数中有erlycon这个属性的时候，就会导致param_setup_earlycon被调用/* early_param wrapper for setup_earlycon() */
static int __init param_setup_earlycon(char *buf)
{int err;/** Just 'earlycon' is a valid param for devicetree earlycons;* don't generate a warning from parse_early_params() in that case*/if (!buf || !buf[0]) {if (IS_ENABLED(CONFIG_ACPI_SPCR_TABLE)) {earlycon_init_is_deferred = true;return 0;} else {return early_init_dt_scan_chosen_stdout(); //1. earlycon不带参数，参数采用设备节点表示}}err = setup_earlycon(buf);  //2. earlycon = XX，带参数if (err == -ENOENT || err == -EALREADY)return 0;return err;
}

  • 如果cmdline中只有"earlycon"，不带更多参数：对应early_init_dt_scan_chosen_stdout函数

    • 使用"/chosen"下的"stdout-path"找到节点

    • 或使用"/chosen"下的"linux,stdout-path"找到节点

    • 节点里有"compatible"和"reg"属性

      • 根据"compatible"找到OF_EARLYCON_DECLARE，里面有setup函数，它会提供write函数
      • write函数写什么寄存器？在"reg"属性里确定

  • 如果cmdline中"earlycon=xxx"，带有更多参数：对应setup_earlycon函数

    • earlycon=xxx格式为：
<name>,io|mmio|mmio32|mmio32be,<addr>,<options>
<name>,0x<addr>,<options>
<name>,<options>
<name>
    • 根据"name"找到OF_EARLYCON_DECLARE，里面有setup函数，它会提供write函数
    • write函数写什么寄存器？在"addr"参数里确定

imgimg

2.RS485简单讲解

Documentation\serial\serial-rs485.txt📎serial-rs485.txt

2.1 RS485线路图

RS485通信----基本原理+电路图-CSDN博客

RS485 是美国电子工业协会（Electronic Industries Association，EIA）于1983年发布的串行通信接口标准，经通讯工业协会（TIA）修订后命名为 TIA/EIA-485-A。

RS485 是一种工业控制环境中常用的通讯协议，其中RS 是 Recommended Standard 的缩写。

RS485 是 半双工异步 串行通信。

特点

  1. 支持多节点：一般最大支持 32 个节点。
  2. 传输距离远：最远通讯距离可达1200米。
  3. 抗干扰能力强：差分信号传输。
  4. 连接简单：只需要两根信号线（A+和B-）就可以进行正常的通信。

差分信号传输

RS485 通信采用差分信号传输，通常情况下只需要两根信号线就可以进行正常的通信。

在差分信号中，逻辑0和逻辑1是用两根信号线（A+和B-）的电压差来表示。

  • 逻辑 1：两根信号线（A+和B-）的电压差在 +2V～+6V 之间。
  • 逻辑 0：两根信号线（A+和B-）的电压差在 -2V～-6V 之间。

SP3485 芯片****是一款非常经典的+3.3V低功耗半双工RS485收发器

RS485使用A、B两条差分线传输数据：

  • 要发送数据时

    • 把SP3485的DE(Driver output Enable)引脚设置为高
    • 通过TxD引脚发送1给SP3485，SP3485会驱动A、B引脚电压差为+2~+6V
    • 通过TxD引脚发送0给SP3485，SP3485会驱动A、B引脚电压差为-6~-2V
    • SP3485自动把TxD信号转换为AB差分信号
    • 对于软件来说，通过RS485发送数据时，跟一般的串口没区别，只是多了DE引脚的设置

  • 要读取数据时

    • 把SP3485的nRE(Receiver Output Enable)引脚设置为低
    • SP3485会根据AB引脚的电压差驱动RO为1或0
    • RO的数据传入UART的RxD引脚
    • 对于软件来说，通过RS485读取数据时，跟一般的串口没区别，只是多了nRE引脚的设置

img

  • nRE和DE使用同一个引脚时，可以简化成这样：

    • 发送：RTS输出高 — 导致DE为高，使能发送，nRE为低，接收禁止
    • 接收：RTS输出低 ---- 导致nRE为低，使能接收，DE为低，发送禁止

img

img

引脚名称功能
1RO接收器输出----接RX
2RE接收器输出使能（低电平-接收使能）
3DE驱动器输出使能（高电平-发送使能）
4DI驱动器输入----接TX
5GND接地
6A驱动器输出/接收器输入（同相）
7B驱动器输出/接收器输入（反相）
8VCC芯片供电+3.3V

img

2.2 RS485应用编程

2.2.1 标准用法

在Linux的串口驱动中，它已经支持RS485，可以使用RTS引脚控制RS485芯片的DE引脚，分两种情况

  • 有些UART驱动：使用UART的RTS引脚
  • 有些UART驱动：使用GPIO作为RTS引脚，可以通过设备树指定这个GPIO

img

在使用RS485发送数据前，把RTS设置为高电平就可以。

通过serial_rs485结构体控制RTS，示例代码如下：

#include <linux/serial.h>/* 用到这2个ioctl: TIOCGRS485, TIOCSRS485 */
#include <sys/ioctl.h>struct serial_rs485 rs485conf;/* 打开串口设备 */
int fd = open ("/dev/mydevice", O_RDWR);
if (fd < 0) {/* 失败则返回 */return -1;
}/* 读取rs485conf */
if (ioctl (fd, TIOCGRS485, &rs485conf) < 0) {/* 处理错误 */
}/* 使能RS485模式 */
rs485conf.flags |= SER_RS485_ENABLED;/* 当发送数据时, RTS为1 */
rs485conf.flags |= SER_RS485_RTS_ON_SEND;/* 或者: 当发送数据时, RTS为0 */
rs485conf.flags &= ~(SER_RS485_RTS_ON_SEND);/* 当发送完数据后, RTS为1 */
rs485conf.flags |= SER_RS485_RTS_AFTER_SEND;/* 或者: 当发送完数据后, RTS为0 */
rs485conf.flags &= ~(SER_RS485_RTS_AFTER_SEND);/* 还可以设置: * 发送数据之前先设置RTS信号, 等待一会再发送数据* 等多久? delay_rts_before_send(单位ms)*/
rs485conf.delay_rts_before_send = ...;/* 还可以设置: * 发送数据之后, 等待一会再清除RTS信号* 等多久? delay_rts_after_send(单位ms)*/
rs485conf.delay_rts_after_send = ...;/* 如果想在发送RS485数据的同时也接收数据, 还可以这样设置 */
rs485conf.flags |= SER_RS485_RX_DURING_TX;if (ioctl (fd, TIOCSRS485, &rs485conf) < 0) {/* 处理错误 */
}/* 使用read()和write()就可以读、写数据了 *//* 关闭设备 */
if (close (fd) < 0) {/* 处理错误 */
}

img

2.2.2 自己控制引脚

发送之前，自己设置GPIO控制DE引脚。

2.3 驱动速览

源码为：Linux-4.9.88\drivers\tty\serial\imx.c：📎imx.c

img

2.3.1 使用GPIO的RS485驱动

这里只是举个例子。

源码为：Linux-4.9.88\drivers\tty\serial\omap-serial.c📎omap-serial.c

1. 从设备树获得用作RTS的GPIO

img

2.发送数据前设置GPIO

img

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