基于NIOS II系統(tǒng)的異步串行通信功能的實現(xiàn)

顏麗莎 朱力宏

(鄭州鐵路職業(yè)技術(shù)學(xué)院，河南 鄭州 450052)

NIOS II系統(tǒng)是Altera公司推出的32位RSIC嵌入式處理器。它具有完善的軟件開發(fā)套件，包括編譯器、集成開發(fā)環(huán)境、JTAG調(diào)試等，設(shè)計者能夠用Altera Quarter II開發(fā)軟件的SOPC Builde系統(tǒng)開發(fā)工具創(chuàng)建處理器系統(tǒng)，并能夠根據(jù)需求添加其組件。［1］

通用異步收發(fā)器(UART)，是嵌入式系統(tǒng)上很常用的一個串行接口，由于其方便、簡單、易用等特性，在嵌入式系統(tǒng)中扮演著十分重要的角色。UART通過電平轉(zhuǎn)換可實現(xiàn)RS232、RS485、RS422等工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的接口，在相關(guān)工業(yè)控制通信中應(yīng)用十分廣泛。UART通信主要通過RXD和TXD兩條信號線，即可實現(xiàn)全雙工串行通信。

在一些應(yīng)用中，往往需要兩三個甚至多個串口，選用現(xiàn)成的MCU方案，顯然很難滿足需求。由于UART作為一個組件與其相關(guān)外設(shè)的IP放在SOPC Builder里，可供用戶直接調(diào)用。因此，基于FPAG芯片的NIOS系統(tǒng)，可根據(jù)需求方便地配置出多個，甚至是幾十個串口，而且可任意分配引腳。因此，討論和采用NIOS II系統(tǒng)實現(xiàn)串口通信功能具有重要的實際意義。

在以往的關(guān)于基于NIOS II系統(tǒng)串口使用的文章中，往往只針對于寄存器控制等某一細(xì)節(jié)問題進(jìn)行討論。實際使用中，串口的軟件控制可以通過HAL系統(tǒng)庫、寄存器等幾種不同的控制方法實現(xiàn)。其每一種方法又各有優(yōu)劣，適合于不同的應(yīng)用場合。本文從NIOS II系統(tǒng)中串口硬件定制入手，重點討論幾種不同軟件控制方法的實現(xiàn)及特點，并提供了詳細(xì)的例程代碼，為NIOS II系統(tǒng)的使用開發(fā)者提供設(shè)計參考。

1 硬件設(shè)計

本設(shè)計中要實現(xiàn)帶NIOS II的FPGA系統(tǒng)與其它系統(tǒng)間的串行通訊，首先要建立硬件連接。在硬件設(shè)計中，通常采用接口芯片MAX3232構(gòu)成RS232硬件電路實現(xiàn)不同系統(tǒng)間的電平匹配。

在Quartus II中新建工程，將圖形設(shè)計作為頂層文件，通過SOPC將NIOS II系統(tǒng)模塊建立到頂層文件中。NIOS II處理器提供了豐富的外圍設(shè)備，可以根據(jù)需求在SOPC Builder中添加，其中主要包括UART串口IP核。

UART核實現(xiàn)了基于FPGA的嵌入式系統(tǒng)與外部器件之間的串行字符流通信。該核可實現(xiàn)RS－232協(xié)議，提供可以調(diào)節(jié)的波特率、校驗、停止/數(shù)據(jù)位，以及可選的RTS/CTS控制信號，用戶可以根據(jù)需要配置該核。

UART核提供了一個簡單的寄存器映像Avalon從端口，它允許Avalon主外設(shè)(如NIOS II處理器)簡單地通過讀和寫控制寄存器與該核實現(xiàn)通信。

該核可直接由SOPC Builder工具創(chuàng)建，創(chuàng)建完成后的接口信號有RXD、TXD、CTX和RTS(其中后兩項可選)。定制時，可通過配置對話框設(shè)定UART核的各項參數(shù)。

主要參數(shù)有:

(1)波特率設(shè)置選項

UART核可以實現(xiàn)RS－232的所有標(biāo)準(zhǔn)波特率。波特率可以設(shè)定為固定波特率和可變波特率。當(dāng)設(shè)定為固定波特率時，通過下拉框可選115200/9600等，不能通過軟件修改。可變波特率可以通過寫divisor寄存器設(shè)定分頻值，來改變波特率值。

(2)數(shù)據(jù)位、停止位和奇偶校驗位設(shè)置

這些參數(shù)只能在配置系統(tǒng)創(chuàng)建時設(shè)置，不能在系統(tǒng)生成后通過寫相應(yīng)的寄存器修改。

(3)流控制

當(dāng)流控制選項Include CTS/RST pin＆ contro lregister bits選中時，UART核的cts、dcts、rts、idcts等寄存器位直接反映流控制信號，如果該選項未被選中時，這些狀態(tài)位總是讀為0。

UART核中的Avalon接口可選擇實現(xiàn)流傳輸模式。這允許主設(shè)備僅在UART準(zhǔn)備接收一個字符時寫數(shù)據(jù)，且僅在UART有效數(shù)據(jù)時讀數(shù)據(jù)，當(dāng)選項Include end－of－packet register是on狀態(tài)時，UART核可以結(jié)束一個與主設(shè)備之間的流模式數(shù)據(jù)傳輸。它能自動將接收的字符寫到存儲器中，直到RxD端接收到一個指定的字符為止。結(jié)束字符由endofpacket寄存器決定。

2 軟件編程

建立硬件IP核完成硬件設(shè)計以后，在NIOS II集成開發(fā)環(huán)境里，通過軟件編程及設(shè)置實現(xiàn)UART的控制。對于NIOS處理器用戶來說，我們總結(jié)了有下列三種控制UART的編程方法。

2.1 采用HAL系統(tǒng)庫驅(qū)動

用戶可以使用ANSI C標(biāo)準(zhǔn)庫函數(shù)訪問UART核，例如printf()和getchar()等。ioctl()請求允許HAL用戶直接控制UART核與硬件相關(guān)的功能。

HAL系統(tǒng)庫API支持對UART核功能部件的完全訪問。NIOS II程序把UART核看成是一個字符模式設(shè)備，使用ANSIC標(biāo)準(zhǔn)庫函數(shù)發(fā)送和接收數(shù)據(jù)。

下面的代碼是一個最簡單的串口通信程序，具體功能是使用printf函數(shù)將一個字符顯示到stdout設(shè)備上。

需要注意的是，這個例子中的SOPC Builder系統(tǒng)包含了一個名為uart0的UART核，采用這種方法的UART編程，要在NIOS II IDE的工程配置選項中將所使用的串口設(shè)備uart_0配置為stout。這種方法最簡單，代碼最少。但是缺點:1.效率較低;2.由于占用了stout等通道，調(diào)試時，無法用jtag_uart通過NIOS II內(nèi)部控制臺打印信息。

2.2 采用C標(biāo)準(zhǔn)庫函數(shù)調(diào)用

通過使用C標(biāo)準(zhǔn)庫函數(shù)對UART設(shè)備完成特定字符操作，這是對串口UART核的標(biāo)準(zhǔn)使用方法。如下面實例:

在本例中，SOPC Builder系統(tǒng)包含了一個名為uart1的UART核，該核不需要配置為stdout設(shè)備，程序中把UART設(shè)備作為HAL系統(tǒng)支持的文件類型打開并使用標(biāo)準(zhǔn)的文件操作函數(shù)對UART核進(jìn)行讀寫。［2］

這種方法將串口作為一個設(shè)備調(diào)用，代碼相對簡單，但運行效率較低，適用實時性要求不高的場合。

2.3 通過UART寄存器操作。

NIOS II軟核的串口直接讀寫寄存器方式的編程方法，與C語言的標(biāo)準(zhǔn)輸入/輸出語句相比，可極大地縮短程序執(zhí)行時間，并使得CPU能同時處理其他事務(wù)。

頭文件“altera_avalon_uart_regs.h”中定義了UART寄存器映射。［3］如下為根據(jù)寄存器實現(xiàn)UART功能的驅(qū)動程序uart.h文件的節(jié)選:

這段程序采用寄存器控制的方法實現(xiàn)了單個字節(jié)的發(fā)送。

這種方法采用寄存器直接控制串口，程序較為復(fù)雜，但執(zhí)行效率最高，時間最短。

在Nios IDE集成開發(fā)環(huán)境中將程序進(jìn)行編譯和仿真后，可直接通過JTAG下載線進(jìn)行在線Debug調(diào)試，也可利用Flash燒寫工具Flash programer，通過JTAG下載接口，將*.pof文件和*.jdi文件燒寫到片外Flash中后，實現(xiàn)脫機(jī)工作。最后將系統(tǒng)與計算機(jī)RS232串口相連通過串口調(diào)試助手進(jìn)行通訊實驗。

3 串口通信調(diào)試

在NIOS II中調(diào)試“Hello world!”的范例的時候，經(jīng)常會出現(xiàn)這樣的錯誤:nios2 terminal:can't open uart:Permission denied。這是因為在調(diào)試程序時，打開了另外的串口調(diào)試工具，或者認(rèn)為是串口偵聽器。實際上NIOS II中已經(jīng)集成了串口調(diào)試工具(串口偵聽器)。

在任務(wù)管理器中nios2 terminal.exe就是這個偵聽串口的進(jìn)程。所以，如果用NIOS II來觀察發(fā)送的數(shù)據(jù)，就不要用其他的串口調(diào)試工具。如果在編譯之前就打開了其他的串口偵聽器，編譯鏈接的時候就會出現(xiàn)上述的錯誤。而在程序編譯鏈接后再去打開其他的串口偵聽器，串口就會因為nios2 terminal.exe占用而無法打開。

解決的方法，如果想用NIOS IDE觀察的話就不要事先打開其他的串口調(diào)試工具。而如果想用其他的串口調(diào)試工具來觀察數(shù)據(jù)，通過下載器將FPGA配置文件下載到板子后，刪除任務(wù)管理器中的nios2 terminal.exe，然后打開串口調(diào)試工具。如果程序沒有問題，運行后就可以看到數(shù)據(jù)。［4］

［1］黃佳瑋，陳福深.基于NIOS II的SOPC嵌入式系統(tǒng)設(shè)計［J］.電子元器件應(yīng)用，2009，(7):48－51.

［2］王剛，張瀲.基于FPGA的SOPC嵌入式系統(tǒng)設(shè)計與典型實例［M］.北京:電子工業(yè)出版社，2009:255－265.

［3］唐佳，楊路明.FPGA通用數(shù)字信號處理實驗板的設(shè)計與實現(xiàn)［J］.科技創(chuàng)新導(dǎo)報，2010，(18):29－30.

［4］李銳.基于嵌入式NIOS II軟核的串口直接讀寫寄存器方式編程［J］.西安:現(xiàn)代電子技術(shù)，2010，(14):37－39.

［5］楊英強.一種基于FPGA的UART電路實現(xiàn)［J］.現(xiàn)代電子技術(shù)，2005，(12):82－84.