【IT8786工控主板COM芯片编程实战】：从入门到精通的进阶教程


参考资源链接：[IT8786E-I工控主板Super I/O芯片详解](https://wenku.csdn.net/doc/6412b756be7fbd1778d49f0c?spm=1055.2635.3001.10343)
# 1. 工控主板与COM芯片基础

## 1.1 工控主板概述
工控主板，全称为工业控制主板，是为工业自动化环境而设计的专用主板。与常见的个人计算机主板相比，它在稳定性、耐用性和扩展性方面都有更高的要求。工控主板能够长时间在严酷的环境下稳定运行，例如在温度波动、湿度变化、电磁干扰等极端条件下，确保工业控制系统的连续性和可靠性。

## 1.2 COM芯片的角色和功能
COM（Computer-on-Module）芯片是工控主板中的一个重要组件，通常用于实现特定的功能模块化，比如串行通信、显示控制等。通过嵌入式技术，COM芯片可大大提升系统的集成度和效能。它们广泛应用于工业自动化、医疗设备、通信等领域，提供了一个标准化的解决方案以快速定制系统功能。

## 1.3 COM芯片的应用场景
在工业自动化领域，COM芯片主要用于实现数据采集、信号转换和远程监控等功能。例如，通过串行端口（RS-232、RS-485等），COM芯片能够轻松连接各种传感器和执行器，实现数据的实时传输和处理。此外，COM芯片在需要高效处理和快速反应的场合中也非常有用，如工业机器人、数控机床和智能仪表。

在本章节中，我们首先对工控主板和COM芯片的基本概念进行了介绍，为后面章节中对于COM芯片编程和应用的深入探讨打下了基础。接下来的章节将围绕COM芯片的工作原理、编程环境搭建及编程实战操作等方面展开。

# 2. 工控主板COM芯片编程基础

## 2.1 COM芯片的工作原理与结构

### 2.1.1 COM芯片的功能和应用场景

COM (Computer on Module) 芯片是一种将计算机核心功能模块化的技术。它将CPU、内存、I/O接口等核心部分集成到一个小型模块上，使其能够作为一个独立的计算单元。由于其高集成度、便于升级维护、小型化设计等优点，COM芯片在工控领域被广泛应用。常见的应用场景包括：

- 工业自动化控制：如机器视觉系统、机器人控制等。
- 网络安全设备：如防火墙、入侵检测系统等。
- 智能测量设备：如高精度传感器、数据采集系统等。
- 移动计算设备：如手持终端、移动医疗设备等。

### 2.1.2 COM芯片的硬件接口与信号线定义

为了适应不同的应用需求，COM芯片提供了一系列的硬件接口和信号线。以下是一些常见的接口和它们的定义：

- 串行接口（如UART, SPI, I2C）：用于连接外设如传感器、显示屏等。
- USB接口：用于高速数据传输或设备扩展。
- GPIO（通用输入输出）：用于控制设备的电源状态或状态指示等。
- PCIe接口：用于扩展高速网络或存储设备。

每种接口拥有特定的引脚定义和信号功能。在硬件连接时，开发者必须严格遵守硬件手册，以确保硬件之间正确通讯。例如，在一个典型的COM芯片上，VCC和GND分别提供电源和接地，而TX和RX引脚则用于串行通信的数据发送和接收。

## 2.2 开发环境搭建

### 2.2.1 选择合适的编程工具和软件

在进行COM芯片编程之前，首先需要建立一个有效的开发环境。合适的编程工具和软件对于提高开发效率、保证程序质量起着关键作用。以下是一些常用的开发工具和软件选项：

- 集成开发环境（IDE）：例如Eclipse、Visual Studio Code，它们支持代码编辑、编译、调试和版本控制等。
- 编译器和调试器：如GCC、LLVM用于编译C/C++代码，GDB用于代码调试。
- 操作系统：嵌入式Linux、VxWorks等，根据芯片特性和项目需求选择。

开发者应根据项目需求和自己的技术熟练度来选择合适的工具链。例如，在使用ARM架构的COM芯片时，可以考虑使用ARM Keil MDK或Eclipse搭配GCC编译器。

### 2.2.2 配置开发板和必要的驱动程序

在拥有开发工具后，接下来的步骤是正确配置开发板和相关的驱动程序。这包括：

- 安装操作系统到COM芯片或连接的开发板。
- 配置开发环境以识别和连接到开发板。
- 下载并安装必要的驱动程序来确保硬件接口的正常工作。

这一过程可能涉及多个步骤，如：

1. 使用串口或USB连接开发板到主机。
2. 启动开发板并引导操作系统。
3. 在主机上设置串口或USB通信参数，如波特率、数据位、停止位等。
4. 安装操作系统所需的驱动程序，如串口驱动、网络接口驱动等。

## 2.3 编程语言基础

### 2.3.1 理解嵌入式编程语言的特点

嵌入式编程语言的主要特点包括对硬件操作的直接性、资源受限下的高效率以及对实时性的高要求。嵌入式系统编程通常使用C语言，这是由于它提供了接近硬件层的编程能力，且代码效率高。

- 资源受限：嵌入式系统往往拥有有限的存储空间和处理能力，因此代码必须尽可能高效。
- 实时性：嵌入式系统常常需要在规定的时间内响应外部事件，因此需要具备实时操作系统的支持。

### 2.3.2 掌握基本的C语言编程语法

掌握C语言编程对于进行嵌入式系统开发至关重要。以下是几个基础的C语言编程概念：

- 数据类型和变量：在C语言中定义和使用变量，包括基本数据类型（如int、char）和复杂数据类型（如struct、enum）。
- 控制结构：掌握条件语句（if、switch）和循环语句（for、while）的使用。
- 函数：了解如何定义和调用函数，参数传递，以及返回值的处理。
- 指针：使用指针进行内存操作和函数引用。

为了适应嵌入式编程的特殊需求，还需要了解如何使用指针操作硬件寄存器，以及如何编写和调用汇编语言函数来执行特定的硬件操作。

### 2.3.3 实现一个简单的“Hello World”程序

在本小节中，我们将实现一个简单的“Hello World”程序，来演示如何在嵌入式系统中使用C语言输出信息到串口。代码示例如下：

#include <stdio.h>

int main() {
    // 打开串口设备
    FILE *uart = fopen("/dev/ttyS0", "w");
    // 判断串口是否成功打开
    if (uart == NULL) {
        perror("Failed to open UART");
        return -1;
    }
    // 发送字符串数据
    fprintf(uart, "Hello World\n");
    // 关闭串口设备
    fclose(uart);
    return 0;
}

上面的代码中，`/dev/ttyS0`通常代表COM芯片的第一个串口。`fopen`函数用于打开串口设备，`fprintf`函数用于将字符串写入串口，最后`fclose`函数用于关闭设备。通过这种方式，我们可以在嵌入式系统中实现基本的输入输出功能。需要注意的是，具体的设备文件路径可能会根据你的系统和COM芯片型号有所不同，需要根据实际情况进行调整。

# 3. COM芯片编程实战操作

## 3.1 硬件接口编程

### 3.1.1 串口通信的配置与实现

串口通信是嵌入式系统中最为常见的通信方式之一。在工控主板的COM芯片编程中，正确配置和实现串口通信对于数据传输至关重要。本节将详细介绍如何在COM芯片上配置串口通信。

在配置串口之前，首先需要了解串口的基本参数设置，包括波特率、数据位、停止位和校验位等。波特率决定了数据传输的速率，而数据位、停止位和校验位则定义了每个传输数据单元的结构。

以一个实际的例子进行说明，假设我们要在COM芯片上配置一个波特率为9600，数据位为8位，一个停止位，无校验的串口通信：

#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
#include <fcntl.h>
#include <termios.h>

int main() {
    int serial_port = open("/dev/ttyS0", O_RDWR);

    if (serial_port < 0) {
        printf("Error %i from open: %s\n", errno, strerror(errno));
        return 1;
    }

    // 创建 termios 结构体，获取串口当前设置
    struct termios tty;
    if(tcgetattr(serial_port, &tty) != 0) {
        printf("Error %i from tcgetattr: %s\n", errno, strerror(errno));
        return 1;
    }

    tty.c_cflag &= ~PARENB; // 清除校验位
    tty.c_cflag &= ~CSTOPB; // 设置停止位为1
    tty.c_cflag &= ~CSIZE; // 清除当前的数据位设置
    tty.c_cflag |= CS8; // 设置数据位为8位
    tty.c_cflag &= ~CRTSCTS; // 禁用硬件流控制
    tty.c_cflag |= CREAD | CLOCAL; // 打开接收器，忽略modem控制线

    tty.c_lflag &= ~ICANON;
    tty.c_lflag &= ~ECHO; // 关闭回显
    tty.c_lflag &= ~ECHOE; // 关闭回显擦除
    tty.c_lflag &= ~ECHONL; // 关闭换行回显
    tty.c_lflag &= ~ISIG; // 关闭信号字符

    tty.c_iflag &= ~(IXON | IXOFF | IXANY); // 关闭软件流控制
    tty.c_iflag &= ~(IGNBRK | BRKINT | PARMRK | ISTRIP | INLCR | IGNCR | ICRNL); // 禁用特殊处理

    tty.c_oflag &= ~OPOST; // 关闭实现定义的输出处理
    tty.c_oflag &= ~ONLCR; // 关闭换行转回车换行

    // 设置波特率
    cfsetispeed(&tty, B9600);
    cfsetospeed(&tty, B9600);

    // 重新应用设置
    if (tcsetattr(serial_port, TCSANOW, &tty) != 0) {
        printf("Error %i from tcsetattr: %s\n", errno, strerror(errno));
        return 1;
    }

    write(serial_port, "Hello, World!", 13);

    close(serial_port);
    return 0;
}

在这段代码中，我们首先打开了串口设备`/dev/ttyS0`。然后，获取当前的串口属性，进行了修改，包括设置波特率和数据位，禁用校验、硬件流控制和回显等。最后，我们重新应用了这些设置并发送了数据。

### 3.1.2 I/O端口的读写与控制

COM芯片通常还包含有用于外部设备控制和数据交换的I/O端口。在本节，我们将探索如何对COM芯片的I/O端口进行读写操作，以及如何控制这些端口来与外部设备通信。

首先，需要知道目标I/O端口的地址，这通常可以在硬件的技术手册中找到。一旦知道了端口地址，就可以使用特定的函数来进行端口的读写操作。

下面的代码演示了如何对一个I/O端口进行读写操作：

#include <sys/io.h>

#define PORT 0x378 // 假设我们使用的端口地址是0x378

int main() {
    // 检查端口是否可被访问
    if (iopl(3) < 0) {
        perror("iopl failed");
        return 1;
    }

    // 向端口写入一个字节
    outb(0xAA, PORT);

    // 从端口读取一个字节
    unsigned char data = inb(PORT);

    printf("Port value: %x\n", data);

    return 0;
}

这里，我们首先检查并设置了足够的权限以便访问硬件端口。接着，使用`outb`函