基于NiosⅡ的UART設計與實現

王一平 ， 王代強 ，2

（1．貴州大學 貴州 貴陽 550025；2．貴州大學 人民武裝學院，貴州 貴陽 550025）

SOPC技術自2000年提出以來，以其靈活性、可裁剪和擴展、系統可編程等優點被廣泛應用于通信、軍事等嵌入式領域。SOPC技術以NiosⅡ處理器為核心采用軟硬件協同設計方案以及IP核復用等技術使得它在可靠性、體積、功耗、設計周期等方面實現了最優化，是未來的SOC和嵌入式發展的方向。

傳統的UART專用芯片引腳多、內部還有許多其他的功能模塊、占用面積大使得電路設計復雜，PCB面積增加。相對于集成度越來越高的SOC系統來說越來越不符合要求。而基于SOPC技術的UART設計可以合理應用在含有FPGA器件的系統中，將UART集成其中起到節約PCB面積的作用[1]。

文中設計了一種基于NiosⅡ的UART，并在EP2C8Q208C芯片上通過串口調試工具加以驗證。

1 UART原理及協議介紹

串行異步接口即通用的異步收發器（UART，Universal Asynchronous Receiver Transmitter）成本低、傳輸線少、可靠性高因而應用廣泛于。根據通信接口的傳輸速率、電氣特性、連接特性等的不同， 有 RS-232、RS-423、RS-499、RS-485等不同的通信協議。其中RS-232是目前廣泛采用的一個標準，常用于短距離、低速、低成本的通信[1-2]。

RS-232的基本通信只需要兩條信號線（RXD、TXD）就可以完成數據的相互通信，接受和發生采用全雙工形式，RXD是接受輸入端，TXD是發送輸入端。其基本的通信協議十分簡單：以低電平為起始位，高電平為停止位，中間可傳輸5～8比特數據和1比特奇偶校驗位，奇偶校驗位的有無和數據比特的長度由通信雙方約定，一幀數據傳輸完畢后可以繼續傳輸下一幀數據，也可以繼續保持為高電平，兩幀之間保持高電平，持續時間可以任意長。圖1為UART的數據幀的格式。

圖1 UART的數據幀格式Fig．1 UART data frame form

2 SOPC中硬件構造實現

1）系統的整體硬件結構

SOPC系統一般Nios軟核cpu、存儲器、I/O等構成。用戶的根據需求選擇Nios軟核、存儲器、IP核或自定義IP核，分配好內存地址和中斷優先級別，就構成了所需要的系統。Nios軟核與UART核、其他IP核、SDRAM等通過Avalon總線僑聯并與外設相連[3]。

NiosⅡ提供3種供用戶選擇的軟核，在本文設計中我們選擇NiosⅡ/e（經濟型）軟核，并調用系統自帶的UART核（RS232）、epcs、sdram等構成系統，并設置好中斷級別和內存地址，就生成了SOPC系統[4]。由于用到了SDRAM需要調用控制外部的sdram器件，由FPGA引入時鐘信號后需要加上一個鎖相環（PLL）模塊倍頻生成Nios系統和sdram的控制信號，并設置兩個控制信號間的相位差。整體系統的電路原理圖如圖2所示。

圖2 SOPC系統的組件Fig．2 SOPC system’smodule

2）UART 核的設置

作為整個系統的核心的UART核，是一款quartus軟件自帶的IP核。它內部是包括波特率除數寄存器、接收寄存器、發送寄存器、移位寄存器等。它提供目標系統與開發系統的連接。從功能設計上看：它與Nios軟核通過avalonz總線結構連接，并提供外部的電平轉換模塊的接口。

UART核中初始的波特率設置為115200，Baud rate can be changed by software選項設置成允許軟件設置波特率；檢驗方式、數據位、停止位等設置為none、8和1。

3）電平轉換電路模塊

本文中采用的RS-232標準規定邏輯1的電平為-15～-3 V，邏輯0的電平為+3～+15 V。COMS電路的電平范圍一般是從0 V到電源電壓，FPGA的I/O輸入輸出電壓通常為0～3．3 V，為了保證 FPGA設計的 UART接口與 RS-232電平保持一致，必須加電平轉換芯片，進行UART的TTL/COMS電平與RS-232電平的轉換[5]。本設計采用MAX232電平轉換芯片，支持兩個串口的電平轉換。

3 軟件設計分析

1）UART核的寄存器結構及C語言描述

根據表1中UART核的寄存器結構[6-7]，筆者在 sopc．h文件中定義一個UART_ST的結構體。它包含在硬件中用到的接收數據位、發送數據位、狀態、控制及除數五個共用體。其中的每個共用體根據偏移量決定順序，并包括一個結構體和用于整體清零WORD的變量。在sopc．h中還用宏定義聲明了UART的基地址。然后需要編寫一個uart．h文件用于以結構體形式聲明UART核工作所用到的receive_flag、receive_count、*init等Nios開發包自帶的需要用到的UART函數。編寫sopc．h及uart．h文件是為了在后面編寫UART核的驅動時候方便調用。

表1 UART核寄存器映射Tab.1 UART nuclear register map

2）UART核的驅動描述

在編寫成功前面 sopc．h及 uart．h文件后， 需要根據UART的工作原理編寫RS232工作的驅動文件uart．c。

在uart．c文件中我們要聲明定義以下函數：

①intuart_send_byte（unsigned char data）用于發送一個字節

②void uart_send_string （unsigned int len， unsigned char*str）發送字符串數據

③intset_baudrate（unsigned intbaudrate）軟件設置波特率

④void uart_ISR（void）聲明 uart所用到的中斷

⑤int uart_init（void）初始化 uart等等。

版面關系僅列舉uart_send_byte函數的代碼：

4 系統的實現驗證

整個系統的軟件硬件部分都編輯完成后首先通過quartus和Nios IDE軟件編譯并將硬件仿真無錯誤后下載到目標芯片EP2C8Q208C中通過串口調試工具實現PC機和UART的通信。

圖3 串口的調試Fig．3 Serial port debugging

5 結束語

基于NiosⅡ設計的UART在以FPGA為核心控制芯片的嵌入式系統中有著一定的優勢，可以節約PCB面積并且具有成本低、易于升級等優點。該系統實現了基本的UART功能，并且后續的可以通過添加FIFO模塊提升傳輸容量等。

[1]Ahera Corporation．NiosⅡ proce，～sor reference handbook[S]．[S．1．]Ahera Corporation，2003．

[2]任愛鋒，初秀琴．基于FPGA的嵌入式系統設計[M]．西安：西安電子科技大學出版社，2004．

[3]Ahera Corporation．Quartus 11 version 6．0 handbook[S]．[S．1．]Ahera Corporation，2006．

[4]鄭啞民，董曉舟．可編程邏輯器件開發軟件Quartus II[M]．北京：國防工業出版社，2006．

[5]夏宇聞．Verilog數字系統設計教程[M]．北京：北京航空航天出版社，2003．

[6]王建校，危建國．SOPC設計基礎與實踐[M]．西安：西安電子科技大學出版社，2006．

[7]張志剛．FPGA與SOPC設計教程——DE2實踐[M]．西安：西安電子科技大學出版社，2007．