基于NiosⅡ的UART設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

王一平 ， 王代強(qiáng) ，2

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

SOPC技術(shù)自2000年提出以來，以其靈活性、可裁剪和擴(kuò)展、系統(tǒng)可編程等優(yōu)點(diǎn)被廣泛應(yīng)用于通信、軍事等嵌入式領(lǐng)域。SOPC技術(shù)以NiosⅡ處理器為核心采用軟硬件協(xié)同設(shè)計(jì)方案以及IP核復(fù)用等技術(shù)使得它在可靠性、體積、功耗、設(shè)計(jì)周期等方面實(shí)現(xiàn)了最優(yōu)化，是未來的SOC和嵌入式發(fā)展的方向。

傳統(tǒng)的UART專用芯片引腳多、內(nèi)部還有許多其他的功能模塊、占用面積大使得電路設(shè)計(jì)復(fù)雜，PCB面積增加。相對(duì)于集成度越來越高的SOC系統(tǒng)來說越來越不符合要求。而基于SOPC技術(shù)的UART設(shè)計(jì)可以合理應(yīng)用在含有FPGA器件的系統(tǒng)中，將UART集成其中起到節(jié)約PCB面積的作用[1]。

文中設(shè)計(jì)了一種基于NiosⅡ的UART，并在EP2C8Q208C芯片上通過串口調(diào)試工具加以驗(yàn)證。

1 UART原理及協(xié)議介紹

串行異步接口即通用的異步收發(fā)器（UART，Universal Asynchronous Receiver Transmitter）成本低、傳輸線少、可靠性高因而應(yīng)用廣泛于。根據(jù)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(xié)議。其中RS-232是目前廣泛采用的一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)，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(hào)線（RXD、TXD）就可以完成數(shù)據(jù)的相互通信，接受和發(fā)生采用全雙工形式，RXD是接受輸入端，TXD是發(fā)送輸入端。其基本的通信協(xié)議十分簡(jiǎn)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?cái)?shù)據(jù)和1比特奇偶校驗(yàn)位，奇偶校驗(yàn)位的有無和數(shù)據(jù)比特的長(zhǎng)度由通信雙方約定，一幀數(shù)據(jù)傳輸完畢后可以繼續(xù)傳輸下一幀數(shù)據(jù)，也可以繼續(xù)保持為高電平，兩幀之間保持高電平，持續(xù)時(shí)間可以任意長(zhǎng)。圖1為UART的數(shù)據(jù)幀的格式。

圖1 UART的數(shù)據(jù)幀格式Fig．1 UART data frame form

2 SOPC中硬件構(gòu)造實(shí)現(xiàn)

1）系統(tǒng)的整體硬件結(jié)構(gòu)

SOPC系統(tǒng)一般Nios軟核cpu、存儲(chǔ)器、I/O等構(gòu)成。用戶的根據(jù)需求選擇Nios軟核、存儲(chǔ)器、IP核或自定義IP核，分配好內(nèi)存地址和中斷優(yōu)先級(jí)別，就構(gòu)成了所需要的系統(tǒng)。Nios軟核與UART核、其他IP核、SDRAM等通過Avalon總線僑聯(lián)并與外設(shè)相連[3]。

NiosⅡ提供3種供用戶選擇的軟核，在本文設(shè)計(jì)中我們選擇NiosⅡ/e（經(jīng)濟(jì)型）軟核，并調(diào)用系統(tǒng)自帶的UART核（RS232）、epcs、sdram等構(gòu)成系統(tǒng)，并設(shè)置好中斷級(jí)別和內(nèi)存地址，就生成了SOPC系統(tǒng)[4]。由于用到了SDRAM需要調(diào)用控制外部的sdram器件，由FPGA引入時(shí)鐘信號(hào)后需要加上一個(gè)鎖相環(huán)（PLL）模塊倍頻生成Nios系統(tǒng)和sdram的控制信號(hào)，并設(shè)置兩個(gè)控制信號(hào)間的相位差。整體系統(tǒng)的電路原理圖如圖2所示。

圖2 SOPC系統(tǒng)的組件Fig．2 SOPC system’smodule

2）UART 核的設(shè)置

作為整個(gè)系統(tǒng)的核心的UART核，是一款quartus軟件自帶的IP核。它內(nèi)部是包括波特率除數(shù)寄存器、接收寄存器、發(fā)送寄存器、移位寄存器等。它提供目標(biāo)系統(tǒng)與開發(fā)系統(tǒng)的連接。從功能設(shè)計(jì)上看：它與Nios軟核通過avalonz總線結(jié)構(gòu)連接，并提供外部的電平轉(zhuǎn)換模塊的接口。

UART核中初始的波特率設(shè)置為115200，Baud rate can be changed by software選項(xiàng)設(shè)置成允許軟件設(shè)置波特率；檢驗(yàn)方式、數(shù)據(jù)位、停止位等設(shè)置為none、8和1。

3）電平轉(zhuǎn)換電路模塊

本文中采用的RS-232標(biāo)準(zhǔn)規(guī)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，F(xiàn)PGA的I/O輸入輸出電壓通常為0～3．3 V，為了保證 FPGA設(shè)計(jì)的 UART接口與 RS-232電平保持一致，必須加電平轉(zhuǎn)換芯片，進(jìn)行UART的TTL/COMS電平與RS-232電平的轉(zhuǎn)換[5]。本設(shè)計(jì)采用MAX232電平轉(zhuǎn)換芯片，支持兩個(gè)串口的電平轉(zhuǎn)換。

3 軟件設(shè)計(jì)分析

1）UART核的寄存器結(jié)構(gòu)及C語(yǔ)言描述

根據(jù)表1中UART核的寄存器結(jié)構(gòu)[6-7]，筆者在 sopc．h文件中定義一個(gè)UART_ST的結(jié)構(gòu)體。它包含在硬件中用到的接收數(shù)據(jù)位、發(fā)送數(shù)據(jù)位、狀態(tài)、控制及除數(shù)五個(gè)共用體。其中的每個(gè)共用體根據(jù)偏移量決定順序，并包括一個(gè)結(jié)構(gòu)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(gè)uart．h文件用于以結(jié)構(gòu)體形式聲明UART核工作所用到的receive_flag、receive_count、*init等Nios開發(fā)包自帶的需要用到的UART函數(shù)。編寫sopc．h及uart．h文件是為了在后面編寫UART核的驅(qū)動(dòng)時(shí)候方便調(diào)用。

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

2）UART核的驅(qū)動(dòng)描述

在編寫成功前面 sopc．h及 uart．h文件后， 需要根據(jù)UART的工作原理編寫RS232工作的驅(qū)動(dòng)文件uart．c。

在uart．c文件中我們要聲明定義以下函數(shù)：

①intuart_send_byte（unsigned char data）用于發(fā)送一個(gè)字節(jié)

②void uart_send_string （unsigned int len， unsigned char*str）發(fā)送字符串?dāng)?shù)據(jù)

③intset_baudrate（unsigned intbaudrate）軟件設(shè)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(guān)系僅列舉uart_send_byte函數(shù)的代碼：

4 系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)驗(yàn)證

整個(gè)系統(tǒng)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(cuò)誤后下載到目標(biāo)芯片EP2C8Q208C中通過串口調(diào)試工具實(shí)現(xiàn)PC機(jī)和UART的通信。

圖3 串口的調(diào)試Fig．3 Serial port debugging

5 結(jié)束語(yǔ)

基于NiosⅡ設(shè)計(jì)的UART在以FPGA為核心控制芯片的嵌入式系統(tǒng)中有著一定的優(yōu)勢(shì)，可以節(jié)約PCB面積并且具有成本低、易于升級(jí)等優(yōu)點(diǎn)。該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了基本的UART功能，并且后續(xù)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(tǒng)設(shè)計(jì)[M]．西安：西安電子科技大學(xué)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(fā)軟件Quartus II[M]．北京：國(guó)防工業(yè)出版社，2006．

[5]夏宇聞．Verilog數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計(jì)教程[M]．北京：北京航空航天出版社，2003．

[6]王建校，危建國(guó)．SOPC設(shè)計(jì)基礎(chǔ)與實(shí)踐[M]．西安：西安電子科技大學(xué)出版社，2006．

[7]張志剛．FPGA與SOPC設(shè)計(jì)教程——DE2實(shí)踐[M]．西安：西安電子科技大學(xué)出版社，2007．