Nios II軟核實作UART通信

文章目錄

• 一、UART IP核的介紹
• 二、Nios II軟核實作UART通信
• • (一)硬體部分設計
  • (二)軟體設計
  • (三)下載下傳硬體和軟體
• 三、實際結果
• 四、參考資料

文章使用的工具及闆子類型

工具：Quartus II 13.1

開發闆：Cyclone IV E EP4CE115F29C7

一、UART IP核的介紹

1. 定義

   實作FPGA上的嵌入式系統與外部器件的RS-232序列槽通信

   嵌入式系統的組成結構

   

2. 寄存器的說明

   

   divisor寄存器的說明

   divisor寄存器的值是用于産生波特率時鐘的，它是一種可選的硬體功能。如果沒有使能Baud Rate Can Be Changed By Software（波特率能被軟體改變），将不存在divisor寄存器。

   計算公式：

   b a u d r a t e = c l o c k f r e q u e n c y d i v i s o r + 1 {baud rate=\frac {clock frequency}{divisor+1}} baudrate=divisor+1clockfrequency​

   d i v i s o r = i n t ( c l o c k f r e q u e n c y b a u d r a t e + 0.5 ) {divisor=int(\frac {clock frequency}{baud rate}+0.5)} divisor=int(baudrateclockfrequency​+0.5)

   status寄存器的說明

   狀态寄存器的各個位可以反應UART核的各個狀态，重點說明TRDY，RRDY

   名稱	操作	描述
   TRDY	讀	Transmit Ready，TRDY位提示txdata寄存器的目前狀态。當txdata寄存器位空時，可以接收新的字元且TRDY位為1，反之。Avalon-MM主要制器必須等TRDY位為1後，才能将新的資料寫入txdata寄存器中
   RRDY	讀	Receive Character Ready，RRDY位提示rxdata寄存器的目前狀态。當rxdata寄存器為空時，RRDY為0，且還不是讀取rxdata寄存器的時刻。當新接收的值傳輸到rxdata寄存器時，RRDY位置為1，讀rxdata寄存器會将RRDY位置置為0。Avalon-MM主要制器必須等待RRDY為變為1後，才能夠讀取rxdata寄存器

二、Nios II軟核實作UART通信

(一)硬體部分設計

1. 完成基本的硬體部分設計

   請先參考下面連結中的硬體部分設計，完成相應的硬體部分設計

   https://blog.csdn.net/qq_43279579/article/details/115933154

2. 添加其他IP核

   添加UART

   在搜尋框上輸入uart，選擇UART（RS-232 Serial Port)，點選Add

   

   進行資料設定，也可保持預設設定

   

   連接配接時鐘和複位，以及資料位，中斷的設定，Export設定

   

3. 系統配置設定位址

   選擇System->Assign Base Address

4. 使用FPGA資源

   選擇Generate->Generate，保持預設設定，點選Generate，選擇Save

5. 建立頂層檔案

   回到Quarters，選擇New->Verilog HDL File

   頂層檔案内容

   module uart(
   	input clk,
   	input reset_n,
   	//uart的接收和發送端
   	input rxd,//接收
   	output txd//發送
   );
   
   system_qsys u0 (
           .clk_clk       (clk),       //   clk.clk
           .reset_reset_n (reset_n), // reset.reset_n
           .uart_rxd      (rxd),      //  uart.rxd
           .uart_txd      (txd)       //      .txd
       );
   
   endmodule
              

   儲存檔案，并編譯

6. 晶片引腳設定

   菜單裡選擇 Assignments-device，點選 Device pin options

   進行 unused pin 設定，可能會收到外部信号的幹擾，将未用引腳設定為 As input tri-stated，特殊引腳設定，設定為正常引腳

7. 編譯完成後，配置設定管腳

   

   再次編譯

(二)軟體設計

1. 基本軟體設計過程

   請參考下面連結中，軟體設計的過程，完成檔案的建立

   https://blog.csdn.net/qq_43279579/article/details/115933154

2. 修改代碼檔案

   打開hello_world中的.c檔案

   内容如下

   #include <stdio.h>
   #include "unistd.h"
   #include "system.h"
   #include "alt_types.h"
   #include "altera_avalon_uart_regs.h"
   #include "sys\alt_irq.h"
   
   alt_u8 txdata=0;
   alt_u8 rxdata=0;
   
   //UART中斷服務函數
   void IRQ_UART_Interrupts(){
   	rxdata = IORD_ALTERA_AVALON_UART_RXDATA(UART_BASE);//将rxdata寄存器中存儲的值讀入變量rxdata中
   	txdata = rxdata;//序列槽自收發，将變量rxdata的值賦給txdata
   	while(!(IORD_ALTERA_AVALON_UART_STATUS(UART_BASE)& ALTERA_AVALON_UART_STATUS_TRDY_MSK));
   	//查詢發送準備接收信号，如果沒有準備好，則等待
   	IOWR_ALTERA_AVALON_UART_TXDATA(UART_BASE,txdata);//發送準備好，發送txdata
   }
   
   //中斷初始化函數
   void IRQ_init()
   {
   	//清除狀态寄存器
   	IOWR_ALTERA_AVALON_UART_STATUS(UART_BASE, 0);
   	//使能接收準備中斷，給控制寄存器相應位寫1
   	IORD_ALTERA_AVALON_UART_CONTROL(UART_BASE);
   
   	alt_ic_isr_register(
   			UART_IRQ_INTERRUPT_CONTROLLER_ID,//注冊ISR
   			UART_IRQ,//中斷控制器标号，從system.h複制
   			IRQ_UART_Interrupts,//UART中斷服務函數
   			0x0,//指向與裝置驅動執行個體相關的資料結構體
   			0x0);//flags，保留未用
   }
   
   int main()
   {
     /*while(1){
   	  IOWR_ALTERA_AVALON_UART_TXDATA(UART_BASE, "hello world!\n");
   	  int i=0;
   	  while(i<5000)
   	  {
   		  i++;
   	  }
     }*/
     IRQ_init();
     while(1);
     return 0;
   }
              

3. 儲存編譯

   點選儲存，選擇hello_wold_bsp，右鍵後，選擇Nios II中的Generate BSP，編譯應用檔案，選擇hello_world右鍵後，點選Build Project

(三)下載下傳硬體和軟體

1. 硬體的下載下傳

   檢查是否檢測到USB-Blaster，如果檢測到後，點選Start，開始下載下傳，否則，就檢檢視問題出現在那個地方。

2. 軟體的下載下傳

   選擇應用工程，右鍵後，選擇Run As中的Nios II Hardware，如果沒有出現問題，就點選Apply->Run.

三、實際結果

由于暫時無法連接配接闆子上面的RS-232接口，結果無法展示。後續能夠連接配接接口後，再添加相應的結果。

四、參考資料

https://www.bilibili.com/video/BV1kh41127Qm?p=6