软件版本：VIVADO2017.4 操作系统：WIN10 64bit 硬件平台：适用米联客 ZYNQ系列开发板 米联客(MSXBO)论坛：www.osrc.cn答疑解惑专栏开通，欢迎大家给我提问！！ 9.1 概述 串口自诞生以来由于其简单可靠的传输方式，被大量使用，对于现在这个充满高速通信设备的时代来说，串口依然不过时。老早以前的台式机和笔记本可都是有串口的，虽然现在很多台式机串口没有了，笔记本也没有串口了，但是串口从来没有被丢弃，只是以另外一种形式存在，这就是USB转串口芯片。串口只需要2根线就可以实现一收一发，使用简单，可靠方便，在低速场合大量使用。比如一些工控的人机界面、我们用的一些单片机的USB下载器都是用USB转串口来实现的。 本课详细的分析了UART中断的实现过程，在PL_PS中断和定时器中断的基础上进行UART中断开发，因此本课有难度。建议在学习PL_PS中断和定时器中断后，再来学习本课内容。硬件工程可以直接使用定时器中断的硬件工程，因此实验直接讲述SDK软件部分。 通过PL_PS中断、定时器中断、UART中断内容学习，应对中断的使用得心应手，重点需要掌握分析问题的方法。 9.2串口通信介绍在进行具体的串口设计之前，先了解串口通信协议。通常串口的一次发送或接收由四个部分组成：起始位S（“一般为逻辑‘0’）、数据位D0~D7（一般为6位~8位之间可变，数据低位在前）、校验位（奇校验、偶检验或不需要校验位）、停止位（通常为1位、1.5位、2位）。停止位必须为逻辑1。在一次串口通信过程中，数据接收与发送双方没有共享时钟，因此，双方必须协商好数据传输波特率。波特率即数据传输速率。根据双方协议好的传输速率，接收端即可对发送端的数据进行采样。常见的波特率标准为300bps,600bps,800bps,9600bps,19200bps等。当然更块的速度意味着对采样的要求更高，有可能误码率会逐渐提高。 通常对串口进行数据采样，采用更高频的时钟。这样做的目的是采用高频时钟来锁存低频时钟，减少数据的误码率，增加接收模块的自纠错能力。 具体的工作流程为： 发送端按照预先设定好的波特率，发送起始位（Start）+数据位（data）+奇偶校验位+结束位。其中，起始位为逻辑0，结束位为逻辑1，发送端在空闲状态为1。发送数据包格式如下图所示。
• 接收端通过检测电平‘1’到‘0’的跳变来确定一个数据包的开始。确定开始位接收完成之后，依次接收数据，使用更高的采样时钟，完成数据采集。接收完数据位后，继续接收奇偶校验位和停止位。 • 串口的接收与发送，其主要时序设计包括两个部分：1、波特率的产生时序；2、数据传输时序，包括接收与发送。 • 波特率产生时序设计：FPGA输入时钟50Mhz，为得到常用的波特率，仍然采用计数分频来得到。BAUD_DIV=50_000000/波特率。其中采样中心点为发送或接收时钟的中心点，即BAUD_DIV_CAP=50_000000/(2*波特率)。该部分在数据接收和发送部分均单独完成。 • 数据接收模块：在设置好传输波特率的情况下，根据串口传输时序，进行解串。空闲状态时，接收 数据为逻辑高电平，等待起始位逻辑低电平的到来。当起始位到达后，由低位到高位，依次采集8位数据，并进行相应的解串，存入临时寄存器。接收有效数据完成后，判断结束位，接收完毕。 • 数据发送模块：设置发送使能信号和待发送的数据。通过计数器，表示10个数据发送的周期。这10个数据，依次为起始位+8位数据位+1位结束位，实现数据位的逐个发送。 • 本设计中，采用PC机的串口调试助手，发送数据位至FPGA，FPGA接收到数据位之后，立即回传至PC机。具体的设计原理和代码思路，在后续章节逐一介绍。 9.2 搭建FPGA BD工程Step1:新建一个名为为Miz_sys的工程。 Step2:创建一个BD文件，并命名为system，添加并且配置好ZYNQ IP。读者需要根据自己的硬件类型配置好输入时钟频率、内存型号、串口，连接时钟等。新手不清楚这些内容个，请参考“CH01 HelloWold/DDR/网口测试及固化”这一节课。 做这个实验，ZYNQ IP中关键设置至少包括 DDR型号配置、串口配置，以及PS时钟配置，不再啰嗦重复描述。
注意：UART的IO是1.8V如下图
另外可以看到本IP比较简洁，少了GP接口和时钟输出接口如下图设置，可以去掉没有用的GP接口和时钟输出接口。
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/* * uartps_intr.c * * Created on: * www.osrc.cn * copyright by cz123 msxbo */ #include "uartps_intr.h" int Init_UartPsIntr(XUartPs *UartInstPtr,u16 DeviceId ) { int Status; XUartPs_Config *Config; u32 IntrMask; if (XGetPlatform_Info() == XPLAT_ZYNQ_ULTRA_MP) { #ifdef XPAR_XUARTPS_1_DEVICE_ID DeviceId = XPAR_XUARTPS_1_DEVICE_ID; #endif } Config = XUartPs_LookupConfig(DeviceId); if (NULL == Config) { return XST_FAILURE; } Status = XUartPs_CfgInitialize(UartInstPtr, Config, Config->BaseAddress); if (Status != XST_SUCCESS) { return XST_FAILURE; } /* * Setup the handlers for the UART that will be called from the * interrupt context when data has been sent and received, specify * a pointer to the UART driver instance as the callback reference * so the handlers are able to access the instance data */ XUartPs_SetHandler(UartInstPtr, (XUartPs_Handler)UartPs_Intr_Handler, UartInstPtr); /* * Enable the interrupt of the UART so interrupts will occur, setup * a local loopback so data that is sent will be received. */ IntrMask = XUARTPS_IXR_TOUT | XUARTPS_IXR_PARITY | XUARTPS_IXR_FRAMING | XUARTPS_IXR_OVER | XUARTPS_IXR_TXEMPTY | XUARTPS_IXR_RXFULL | XUARTPS_IXR_RXOVR; if (UartInstPtr->Platform == XPLAT_ZYNQ_ULTRA_MP) { IntrMask |= XUARTPS_IXR_RBRK; } XUartPs_SetInterruptMask(UartInstPtr, IntrMask); XUartPs_SetRecvTimeout(UartInstPtr, 8); return XST_SUCCESS; } void UartPs_Intr_Handler(void *CallBackRef, u32 Event, unsigned int EventData) { int i = 0; /* All of the data has been sent */ if (Event == XUARTPS_EVENT_SENT_DATA) { TotalSentCount = EventData; } /* All of the data has been received */ if (Event == XUARTPS_EVENT_RECV_DATA) { TotalReceivedCount = EventData; if(TotalReceivedCount == TEST_BUFFER_SIZE) { for(i=0;i<TotalReceivedCount;i++) SendBuffer[i] = RecvBuffer[i]; XUartPs_Send(&UartPs, SendBuffer, TotalReceivedCount); XUartPs_Recv(&UartPs, RecvBuffer, TEST_BUFFER_SIZE); TotalReceivedCount=0; } } /* * Data was received, but not the expected number of bytes, a * timeout just indicates the data stopped for 8 character times */ if (Event == XUARTPS_EVENT_RECV_TOUT) { TotalReceivedCount = EventData; for(i=0;i<TotalReceivedCount;i++) SendBuffer[i] = RecvBuffer[i]; XUartPs_Send(&UartPs, SendBuffer, TotalReceivedCount); XUartPs_Recv(&UartPs, RecvBuffer, TEST_BUFFER_SIZE); TotalReceivedCount=0; } /* * Data was received with an error, keep the data but determine * what kind of errors occurred */ if (Event == XUARTPS_EVENT_RECV_ERROR) { TotalReceivedCount = EventData; TotalErrorCount++; } /* * Data was received with an parity or frame or break error, keep the data * but determine what kind of errors occurred. Specific to Zynq Ultrascale+ * MP. */ if (Event == XUARTPS_EVENT_PARE_FRAME_BRKE) { TotalReceivedCount = EventData; TotalErrorCount++; } /* * Data was received with an overrun error, keep the data but determine * what kind of errors occurred. Specific to Zynq Ultrascale+ MP. */ if (Event == XUARTPS_EVENT_RECV_ORERR) { TotalReceivedCount = EventData; TotalErrorCount++; } } int UartPs_Setup_IntrSystem(XScuGic *IntcInstancePtr,XUartPs *UartInstancePtr,u16 UartIntrId) { int Status; XScuGic_Config *IntcConfig; /* Config for interrupt controller */ /* Initialize the interrupt controller driver */ IntcConfig = XScuGic_LookupConfig(INTC_DEVICE_ID); if (NULL == IntcConfig) { return XST_FAILURE; } Status = XScuGic_CfgInitialize(IntcInstancePtr, IntcConfig, IntcConfig->CpuBaseAddress); if (Status != XST_SUCCESS) { return XST_FAILURE; } /* * Connect a device driver handler that will be called when an * interrupt for the device occurs, the device driver handler * performs the specific interrupt processing for the device */ Status = XScuGic_Connect(IntcInstancePtr, UartIntrId, (Xil_ExceptionHandler) XUartPs_InterruptHandler, (void *) UartInstancePtr); if (Status != XST_SUCCESS) { return XST_FAILURE; } /* Enable the interrupt for the device */ XScuGic_Enable(IntcInstancePtr, UartIntrId); return XST_SUCCESS; } |
通过前面两节课详细的介绍，大家应该已经掌握如何分析库函数的办法，实际上采用库函数都可以不需要了解寄存器的具体配置过程，本课程不再对寄存器的详细配置做介绍，如果读者想去了解寄存的配置可以参考前面两节课的内容，参考ug585自行分析。
此函数负责初始化 PS UART寄存器。
1 、XUartPs_LookupConfig(DeviceId)
首先依然是通过查找配置程序来获取串口的硬件配置。我们跟踪这个程序，看看他获取的配置是什么。
这个程序还是从一个配置表数组中查找的配置文件，继续往下剥离，看一看这个数组中的内容。
可以看到，这个数组里存放的是UART的设备ID，UART的基地址，时钟频率和一个不知道什么作用的对象。后两个参数是我们没用到的，因此就略过了。前两个都是我们在硬件工程中添加了中断后，系统自动生成的。
2、XUartPs_CfgInitialize(UartInstPtr, Config, Config->BaseAddress)
这个结构体中的内容比较多，第一个对象是我们UART硬件的一些配置，它指向的是一个结构体。那么就来看看这个结构体吧。
可以看到，这些就是刚才我们查找配置程序获取到的硬件参数。
回到XUartPs结构体的分析。第二个对象是输入时钟频率，第三个是设备是否初始化并准备好，第四个是波特率，第五个是两个buffer,一个发送的一个接收的。挑选一个参看一下。
接着第七个是一个Hander,第八个是一个回掉函数，最后一个是platform具体是什么意思不得而知。
回到初始化程序。我们来看看这个函数与之前有什么不同了。
一开始是一长串的初始化，如下图所示：
接下来的这个函数是一个用于判断芯片类型的函数。
接下来，程序将Instance(也就是我们的UART硬件)的标志设置为XIL_COMPONENT_IS_READY，表明此时UART已经可以使用了。
接下来，程序将UART的波特率设置为了115200。
接下来的这一句是读取UART的模式寄存器。
我们可以来看看读取的什么内容，把鼠标停放在这个函数的上方，看到函数显示出了这个函数的原函数。
与定时器实验中讲到的读写寄存器的函数差不多，第一个参数是UART的基地址，这在一开始的分析中就提到过，反回去看看UART的基地址。
可以知道，此处的基地址为0xE000100，直接计算：E0001000+0x0004= E0001004。打开ug585查看下这个寄存器的介绍。
可以看到，这是一个UART的模式寄存器，通过这个寄存器可以设置串口的数据位宽，有无停止位和奇偶校验位等信息。
再来看看下一句程序。这句是对刚才读出的寄存器的一个运算。
首先得到方框中这三个参数的值。这里我们已经查看程序得知这三个值分别为：6，A0，38。然后进行运算：ModeRegister=E0001004 & (~(6|A0|38))=E0001004 & 11 =0。
接下来的这一句也是一个运算，不多讲，直接运算。ModeRegister=0|(0|0|20)=20。
这段程序就是一个写寄存器的功能了。看看这个函数的原函数。
由此得出，这个函数读写的地址为刚才模式寄存器的地址，写入的数据就是运算得出的20h。参照刚才ug585里的模式寄存器说明，显而易见，经过这段程序之后，把UART设置为了8个数据位，1个停止位和无奇偶校验位的模式。
接下来的还有3个写寄存器的程序，分析方法与刚才的一致。这里就只给出它们实现的功能。分别是：设置UART的RX FIFO在8byte处触发、设置UART的超时为1（4个字符时间）、禁止所有中断轮询模式为默认的样式。
回到main函数的分析当中，接下来的函数实现的是建立起中断的功能，这个函数在我们上一章也进行过详细的讲解
3、XUartPs_SetHandler(UartInstPtr, (XUartPs_Handler)UartPs_Intr_Handler, UartInstPtr)
函数负责设置中断产生后的回调函数为UartPs_Intr_Handler。
4、XUartPs_SetInterruptMask(UartInstPtr, IntrMask)
函数负责配置中断类型
5、XUartPs_SetRecvTimeout(UartInstPtr, 8)
函数设置了空闲超时等待的时间为8x4 = 32 为32个波特率采样时钟，意思就是当串口上超过32个波特率采样时钟没有数据的时候，就会触发一次超时中断，这样可以通知用户程序去读取已经接收到的数据。
以下是寄存器说明
此函数初始化PS Uart回调的函数XUartPs_InterruptHandler，并且在最后启动PS UART中断。
PS Uart中断产生后的回调函数，在此回调函数中会去调用mian函数里面的中断处理函数。
#include "sys_intr.h" #include "uartps_intr.h" void init_intr_sys(void) { Init_UartPsIntr(&UartPs,UART_DEVICE_ID); Init_Intr_System(&Intc); Setup_Intr_Exception(&Intc); UartPs_Setup_IntrSystem(&Intc, &UartPs, UART_INT_IRQ_ID); } int main(void) { init_intr_sys(); XUartPs_Recv(&UartPs, RecvBuffer, TEST_BUFFER_SIZE); while(1); return 0; } |
为了正常启动接收，不管有没有数据到来，需要先启动一次接收函数XUartPs_Recv(&UartPs, RecvBuffer, TEST_BUFFER_SIZE)。
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