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LK设备驱动开发：从零开始编写UART驱动程序

news 2026/5/12 17:58:57

LK设备驱动开发：从零开始编写UART驱动程序

【免费下载链接】lkLK embedded kernel项目地址: https://gitcode.com/gh_mirrors/lk/lk

LK嵌入式内核（LK embedded kernel）是一个轻量级的实时操作系统内核，广泛应用于嵌入式设备开发。UART（通用异步收发传输器）作为嵌入式系统中最常用的通信接口之一，掌握其驱动开发是嵌入式工程师的必备技能。本文将带你从零开始，详细讲解如何在LK内核中编写一个稳定可靠的UART驱动程序，即使你是新手也能轻松上手。

UART驱动开发基础：核心概念与硬件交互

UART驱动程序的核心功能是实现数据的发送和接收，其工作原理涉及硬件寄存器操作和中断处理。在LK内核中，UART驱动通常包含以下几个关键部分：设备初始化、数据收发、中断处理和设备注册。

首先，我们需要了解UART控制器的硬件特性。不同的处理器架构（如ARM、RISC-V等）可能有不同的UART控制器实现，但基本原理相似。以ARM架构为例，UART控制器通常包含以下寄存器：数据寄存器（DR）、状态寄存器（SR）、控制寄存器（CR）等。通过对这些寄存器的读写操作，我们可以实现UART的数据收发。

图：LK内核物理内存映射示意图，展示了UART等外设寄存器在内存空间中的映射关系

第一步：UART设备初始化

UART设备初始化是驱动开发的第一步，主要包括硬件资源分配、寄存器配置和中断使能等操作。在LK内核中，通常会提供一个早期初始化函数，用于在系统启动阶段对UART进行基本配置。

以Sifive平台为例，其UART初始化函数sifive_uart_early_init定义在platform/sifive/uart.c文件中。该函数主要完成以下工作：

配置UART波特率、数据位、停止位和校验位
使能UART控制器
配置中断控制器，使能UART中断

void sifive_uart_early_init(void) { // 配置UART寄存器 write32(UART_REG_BASE + UART_BAUD_REG, calculate_baud_rate()); write32(UART_REG_BASE + UART_CTRL_REG, UART_CTRL_TX_EN | UART_CTRL_RX_EN); // 使能UART中断 irq_set_mask(UART_IRQ_NUM); }

类似地，在ROSC0-M68K平台中，UART初始化函数duart_early_init定义在platform/rosco-m68k/duart.c文件中，负责初始化双UART控制器。

第二步：实现数据收发功能

数据收发是UART驱动的核心功能。在LK内核中，通常通过实现uart_write和uart_read函数来完成数据的发送和接收。

以PC平台的UART驱动为例，其驱动状态结构体uart_driver_state定义在platform/pc/uart.c文件中，包含了UART设备的基本信息和缓冲区。发送函数通过循环写入数据寄存器，直到所有数据发送完成：

ssize_t uart_write(struct device *dev, const void *buf, size_t count) { struct uart_driver_state *state = dev->state; const char *data = buf; size_t i; for (i = 0; i < count; i++) { // 等待发送缓冲区为空 while (!(read32(state->base + UART_LSR) & UART_LSR_THRE)) ; // 发送一个字节数据 write32(state->base + UART_TX, data[i]); } return count; }

接收函数则通过读取数据寄存器来获取接收到的数据。为了提高效率，通常会使用中断方式进行接收，当有数据到达时，UART控制器会产生中断，驱动程序在中断处理函数中读取数据并存储到缓冲区。

第三步：中断处理与设备注册

中断处理是UART驱动中实现高效数据接收的关键。在LK内核中，需要注册一个中断处理函数，当UART产生中断时，该函数会被调用。

以PC平台为例，UART中断处理函数uart_irq_handler会检查中断类型，如果是接收中断，则读取数据寄存器中的数据并存储到接收缓冲区：

static enum handler_return uart_irq_handler(void *arg) { struct uart_driver_state *state = arg; uint32_t lsr = read32(state->base + UART_LSR); if (lsr & UART_LSR_RDR) { // 读取接收数据 uint8_t data = read32(state->base + UART_RX); // 存储到接收缓冲区 buffer_putc(&state->rx_buf, data); } return INT_HANDLED; }

最后，需要将UART设备注册到LK内核的设备模型中，以便其他模块可以通过设备名称访问UART设备。设备注册通常在平台初始化函数中完成，例如在platform/pc/platform.c文件中，通过调用device_add函数将UART设备添加到系统中。

图：LK内核初始内存映射示意图，展示了UART外设在物理地址和虚拟地址空间中的映射关系