Arduino 101 Serial 实现详解

Arduino 101 连接 PC 是通过一条方口 USB 数据线，并且可以通过这条数据线接收板子输出 debug 调试。
那么这是如何实现的呢？
这部分没有完全看透，只记录下目前收获（也许有误）。

概述

Arduino 中操作串口是通过 Serial¹ 类。

初始化：

void setup() {
    Serial.begin(9600); // 波特率设置为 9600
    while(!Serial);     // 等待串口初始化完成
}

发送：

void loop() {
    Serial.print("Hello World!\n");
}

接收：

void serialEvent(){ // Called when data is available. Use Serial.read() to capture this data.
    Serial.print(Serial.read());
}

分析

查看代码时发现了应用程序入口其实在 main.cpp 中，如下：

C:\Users\XXX\AppData\Local\Arduino15\packages\Intel\hardware\arc32\2.0.2\cores\arduino\main.cpp

int main( void )
{
    initVariant();
#if defined(USBCON)
    USBDevice.attach();
#endif
    setup();
    for (;;) /* This infinite loop is intentional and requested by design */
    {
        loop();
        if (serialEventRun) serialEventRun();
    }
    return 0;
}

从中可以看到 setup loop 等函数，这就是通用的 Arduino 代码函数块，可以发现 loop 和 serialEvent 其实是顺序轮询方式，并不是真正中断。

初始化

Serial 部分的源码又在哪里呢？查找后发现对象初始化部分：

C:\Users\XXX\AppData\Local\Arduino15\packages\Intel\hardware\arc32\2.0.2\variants\arduino_101\variant.cpp

uart_init_info info_cdc;
CDCSerialClass Serial(&info_cdc);

RingBuffer rx_buffer_uart;
RingBuffer tx_buffer_uart;
uart_init_info info_uart;
UARTClass Serial1(&info_uart, &rx_buffer_uart, &tx_buffer_uart);

原来 Serial 是全局变量，CDCSerialClass 的构造函数只是赋值，并没有特殊操作。
现在已知如下（和板子定义一致）：

• Serial 表示 USB² 串口
• Serial1 表示 UART 串口

接下来的操作在 initVariant() 中：

void initVariant( void ) {
    /* Initialise CDC-ACM shared buffers pointers, provided by LMT */
    Serial.setSharedData(shared_data->cdc_acm_buffers);
    ...
}

Serial.setSharedData 只是赋值串口对象指针。

C:\Users\XXX\AppData\Local\Arduino15\packages\Intel\hardware\arc32\2.0.2\cores\arduino\CDCSerialClass.cpp

void CDCSerialClass::setSharedData(struct cdc_acm_shared_data *cdc_acm_shared_data)
{
    this->_shared_data = cdc_acm_shared_data;
    this->_rx_buffer = cdc_acm_shared_data->rx_buffer;
    this->_tx_buffer = cdc_acm_shared_data->tx_buffer;
}

其中 shared_data 是芯片中的 SRAM³ 地址为 0xA8000000，共 80K⁴。

关于这段内存的作用，我推测是和内核部分进行交互，因为 CDCSerialClass 中并没有对寄存器的操作。
而内核部分也有同样的结构，并且会读取标志位以及设置标志位（内核部分没有详细查看）。
内核相关理解如下：

• 代码入口在 CODK\CODK-A\x86\projects\arduino101\quark\main.c
• 驱动部分代码 CODK\CODK-A\x86\bsp\src\drivers\usb（usb_driver_intf 没有找到声明地方）

其他

以 Serial.print 实现为例，使用该函数会向串口发送字符串。

CDCSerialClass 中并没有定义 print 的方法，此方法乃是继承 class Print，其所有继承关系如下：

CDCSerialClass->HardwareSerial->Stream->Print

某个方法的实现如下：

C:\Users\XXX\AppData\Local\Arduino15\packages\Intel\hardware\arc32\2.0.2\cores\arduino\Print.cpp

size_t Print::print(char c)
{
    return write(c);
}

而 write 方法在 CDCSerialClass 类中被重写为向串口发送数据，如此便实现了 Serial.print 的功能。

疑问

CDCSerialClass 中波特率设置似乎没有作用。

void CDCSerialClass::init(const uint32_t dwBaudRate, const uint8_t modeReg)
{
    /* Set a per-byte write delay approximately equal to the time it would
     * take to clock out a byte on a standard UART at this baud rate */
    _writeDelayUsec = 8000000 / dwBaudRate;

    /* Make sure both ring buffers are initialized back to empty.
     * Empty the Rx buffer but don't touch Tx buffer: it is drained by the
     * LMT one way or another */
    _rx_buffer->tail = _rx_buffer->head;

    _shared_data->device_open = true;
}

以上为初始化部分，从中可以看到 dwBaudRate 只计算了 _writeDelayUsec，没有传递到 _shared_data 中。
查找代码又会发现 _writeDelayUsec 没有在其他地方被调用过，那么该波特率还有作用吗？
为此我尝试在电脑上随便修改波特率，并和板子通信，发现波特率不匹配也可以通信，不知道是不是因为该口是 USB 虚拟串口的原因？
相对应的 Serial1 UARTClass 的 init 中是包含波特率设置代码的。

修改

添加 printf 方法⁵。
我使用的是添加 Print::printf，修改后可在 Serial 中使用 printf 方法了。

C:\Users\XXX\AppData\Local\Arduino15\packages\Intel\hardware\arc32\2.0.2\cores\arduino\Print.cpp

#include <stdarg.h>
#define PRINTF_BUF 80
size_t Print::printf(const char *format, ...)
{
    char buf[PRINTF_BUF];
    va_list ap;
    va_start(ap, format);
    vsnprintf(buf, sizeof(buf), format, ap);
    for(char *p = &buf[0]; *p; p++) {
        if(*p == '\n')
            write('\r');
        write(*p);
    }
    va_end(ap);
}

---

1. 1.Serial func ↩
2. 2.USB CDC is a composite Universal Serial Bus device class ↩
3. 3.static random access memory ↩
4. 4.Intel® Quark™ SE Microcontroller C1000 Datasheet, Table 24, Mapping Address Spaces ↩
5. 5.Arduino printf ↩