[米联客-XILINX-H3_CZ08_7100] LINUX驱动篇连载-08 PS UART中断接收实验

本帖最后由 LINUX课程于 2024-9-11 10:23 编辑

软件版本：vitis2021.1(vivado2021.1)

操作系统：WIN10 64bit

硬件平台：适用XILINX Z7/ZU系列FPGA

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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。

实验目的：

熟悉UART串口通信协议，包括数据格式、波特率、起始位、停止位、奇偶校验位等
熟悉ZYNQ的UART串口的功能单元以及寄存器功能
实现串口的中断接收，发出

2 系统框图

3 UART串口通信协议介绍

我们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，38400bps,115200bps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。

数据的奇偶校验位是可以选择的，如果不使用奇偶，那么就没有这个数据位，我们本课程中没有用到奇偶校验位。

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。

ZYNQ的UART控制器可以完成发送数据的编码和接收数据的界面，关于更多UART的硬件知识可以阅读以下ZYNQ UART串口部分介绍。

4 ZYNQ UART串口控制介绍

4.1UART控制器概述

ZYNQ的UART控制器支持全双工异步收发，支持多种可编程波特率和I/O信号格式支持自动奇偶校验和多主机检测模式。

通过配置和模式寄存器控制UART，通过读取FIFO状态寄存器、中断状态寄存器、调制解调状态寄存器、其他功能状态寄存器获取UART的工作状态。

UART的TX和RX路径是异步独立的，TX路径和RX路径各有一个64字节的FIFO。控制寄存器可以对UART中的TX和RX FIFO数据序列化和反序列化，另外还包含一个模式开关可以设置TX到RX的环路设置。

在类似调制解调器的应用中使用UART时，调制解调器控制模块会检测并生成调制解调器握手信号，并根据握手协议控制接收器和发送器路径。

4.2UART控制器特性

具有可编程波特率发生器
具有可配置的接收和发送FIFO，具有字节，两个字节或四个字节的APB访问机制
支持6、7或8个数据位
支持1、1.5或2个停止位
支持奇数，偶数，空格，标记或无奇偶校验
支持奇偶校验，成帧和溢出错误检测
具有断行的生成和检测
支持自动回显，本地环回和远程环回通道模式
支持中断产生
具有调制解调器控制信号：CTS，RTS，DSR，DTR，RI和DCD
UART有两个时钟：高级外围总线（APB）的时钟频率高达100 MHz。 uart_ref_clock的范围是1 MHz至100 MHz。

4.3UART控制器功能描述

1:UART控制器框图

2:波特率发生器

UART的sel_clk时钟：

该时钟为UART_REF_CLKk或者UART_REF_CLK/8

波特率采样时钟使能baud_sample:

baud_sample=sel_clk/CD

波特率baud_rate:

baud_rate = baud_sample/ (BDIV + 1)

CD的值范围为1~65535，BDIV的值范围为4~255

以下给出了UG585中常用波特率的计算参数

3:TX发送FIFO

软件需要发送的数据首先会填入到TX的FIFO。

4:TX发送串行发送模块

发送模块从TxFIFO中移除数据，并将其加载到发送器移位寄存器中，以便可以对其进行串行化。发送模块将起始位，数据位，奇偶校验位和停止位移出为串行数据流。在发送波特率时钟使能（baud_tx_rate）的下降沿发送数据，最低有效位在前。

下图中的数据包含了PA奇偶校验位，很多情况下没有这位数据，那么数据就是一共需要10个发送时钟。

5:RX接收FIFO

当RX串行接收模块接收到数据后，数据移入RX接收FIFO。

6:RX串行接收模块

UART使用UART_REF_CLK和时钟使能（baud_sample）连续对UARTx_RxD信号进行过采样。当在中间位置连续监测到3次低电平代表收到RX的起始位。如下所示，采样速度是16倍的波特率。

当检测到有效的起始位时，接收器波特率时钟使能（baud_rx_rate）将重新同步，以便在每个位的理论中点附近对输入的UART RxD信号进行进一步采样。

7:I/O模式切换

模式开关控制控制器内RxD和TxD信号的路由，共有四种工作模式如下图所示，除非只是测试UART软件代码，否则我们都是使用普通模式。

8:UART中断与状态控制器

UART的中断和状态控制器在下面的寄存器介绍中介绍

9:UART调制解调器控制

这部分功能我们不涉及。

4.4UART寄存器概述

XUARTPS_CR寄存器XUARTPS_CR_OFFSET (0x00U)

Field Name	Bits	Type	Reset Value	Description
XUARTPS_CR	31:0	RW	0x0	31~9bit:保留 8bit:暂停并发送停止位(STOPBRK) 1-当传输一个字节后，设置该位产生停止位，输出12bit的高电平。 0-无影响 7bit:暂停并发送起始位(STARTBRK) 1-当FIFO中已经填入需要发送的数据，并且TX发送移位寄存器已经传输完毕，启动发送起始位。必须在STOPBRK=0的情况下有效。 0-无影响 6bit:重启接收超时计数器(TORST) 1-使能接收超时计数 0-无影响 5bit:禁止发送(TX_DIS) 1-禁止发送 0-使能 4bit:使能发送(TX_EN) 1-使能发送，需要确保TX_DIS=0 0-禁止发送 3bit:禁止接收(RX_DIS) 1-禁止接收，不管RXEN的值 0-使能 2bit:使能接收(RX_EN) 1-使能接收，RX_DIS=0有效 0-禁止接收 1bit:软件复位(TXRST) 1-复位发送逻辑，复位完成后自动清零 0-无影响 0bit:软件复位(RXRST) 1-复位接收逻辑，复位完成后自动清零 0-无影响

XUARTPS_MR寄存器XUARTPS_MR_OFFSET (0x04U)

Field Name	Bits	Type	Reset Value	Description
XUARTPS_MR	31:0	RW	0x0	31~12bit:保留(只读) 11~10bit:保留(可以读写，但是不要修改) 9~8bit:通道模式(CHMODE) 00-正常模式 01-echo模式 10-本地环路 11-远程环回 7~6bit:停止位(NBSTOP) 00-1bit停止位 01-1.5bit停止位 10-2个停止位 11-保留 5~3bit:奇偶校验位(PAR) 000-偶校验 001-奇校验 010-奇偶校验强制为0 011-奇偶校验强制为1 1xx-无校验 2~1bit:字符长度(CHRL) 11-6bits 10-7bits 0x-8bits 0-时钟源选择(CLKSEL) 0-uart_ref_clk 1-uart_ref_clk/8

XUARTPS_IER寄存器XUARTPS_IER_OFFSET (0x08U)

中断使能寄存器，设置1使能相关中断

Field Name	Bits	Type	Reset Value	Description
XUARTPS_IER	31:0	WO	0x0	31~13bit:保留(只读) 12bit:FIFO溢出中断使能(TOVR) 11bit:FIFO将满中断使能(TNFUL) 10bit:FIFO发送器FIFO出发中断使能(TTRIG) 9bit:Delta调制解调器状态指示器中断使能(IXR_DMS) 8bit:接收超时错误中断使能(IXR_TOUT) 7bit:接收奇偶校验错误中断使能(IXR_PARITY) 6bit:接收帧错误中断使能(IXR_FRAMING) 5bit:接收溢出中断使能(IXR_OVER) 4bit:发送FIFO满中断使能(IXR_TXFULL) 3bit:发送FIFO空中断使能(IXR_TXEMPTY) 2bit:接收FIFO满中断使能(IXR_RXFULL) 1bit:接收FIFO空中断使能(IXR_RXEMPTY) 0bit:接收FIFO中断触发使能(IXR_RXOVR)

XUARTPS_IDR寄存器XUARTPS_IDR_OFFSET (0x0CU)

中断禁用寄存器，设置1禁用相关中断

Field Name	Bits	Type	Reset Value	Description
XUARTPS_IDR	31:0	WO	0x0	31~13bit:保留(只读) 12bit:FIFO溢出中断禁用(TOVR) 11bit:FIFO将满中断禁用(TNFUL) 10bit:FIFO发送器FIFO出发中断禁用(TTRIG) 9bit:Delta调制解调器状态指示器中断禁用(IXR_DMS) 8bit:接收超时错误中断禁用(IXR_TOUT) 7bit:接收奇偶校验错误中断禁用(IXR_PARITY) 6bit:接收帧错误中断禁用(IXR_FRAMING) 5bit:接收溢出中断禁用(IXR_OVER) 4bit:发送FIFO满中断禁用(IXR_TXFULL) 3bit:发送FIFO空中断禁用(IXR_TXEMPTY) 2bit:接收FIFO满中断禁用(IXR_RXFULL) 1bit:接收FIFO空中断禁用(IXR_RXEMPTY) 0bit:接收FIFO中断触发禁用(IXR_RXOVR)

XUARTPS_IMR寄存器XUARTPS_IMR_OFFSET (0x10U)

中断掩码寄存器，是只读寄存器1代表相关中断使能，0代表相关中断禁用

Field Name	Bits	Type	Reset Value	Description
XUARTPS_IMR	31:0	WO	0x0	31~13bit:保留(只读) 12bit:FIFO溢出中断掩码(TOVR) 11bit:FIFO将满中断掩码(TNFUL) 10bit:FIFO发送器FIFO出发中断掩码(TTRIG) 9bit:Delta调制解调器状态指示器中断掩码(IXR_DMS) 8bit:接收超时错误中断掩码(IXR_TOUT) 7bit:接收奇偶校验错误中断掩码(IXR_PARITY) 6bit:接收帧错误中断掩码(IXR_FRAMING) 5bit:接收溢出中断掩码(IXR_OVER) 4bit:发送FIFO满中断掩码(IXR_TXFULL) 3bit:发送FIFO空中断掩码(IXR_TXEMPTY) 2bit:接收FIFO满中断掩码(IXR_RXFULL) 1bit:接收FIFO空中断掩码(IXR_RXEMPTY) 0bit:接收FIFO中断触发掩码(IXR_RXOVR)

XUARTPS_ISR寄存器XUARTPS_ISR_OFFSET (0x14U)

中断状态寄存器，1代表相关中断产生，读该位会清除中断状态

Field Name	Bits	Type	Reset Value	Description
XUARTPS_ISR	31:0	WTC	0x0	31~13bit:保留(只读) 12bit:FIFO溢出中断状态(TOVR) 11bit:FIFO将满中断状态(TNFUL) 10bit:FIFO发送器FIFO出发中断状态(TTRIG) 9bit:Delta调制解调器状态指示器中断状态(IXR_DMS) 8bit:接收超时错误中断状态(IXR_TOUT) 7bit:接收奇偶校验错误中断状态(IXR_PARITY) 6bit:接收帧错误中断状态(IXR_FRAMING) 5bit:接收溢出中断状态(IXR_OVER) 4bit:发送FIFO满中断状态(IXR_TXFULL) 3bit:发送FIFO空中断状态(IXR_TXEMPTY) 2bit:接收FIFO满中断状态(IXR_RXFULL) 1bit:接收FIFO空中断状态(IXR_RXEMPTY) 0bit:接收FIFO中断触发状态(IXR_RXOVR)

XUARTPS_BAUDGEN寄存器XUARTPS_BAUDGEN_OFFSET (0x18U)

Field Name	Bits	Type	Reset Value	Description
XUARTPS_BAUDGEN	31:0	WR	0x28	31~16bit:保留(只读) 15~0bit:波特率分频器 0-禁止波特率采样 1-Bypass (baud_sample = sel_clk) 2-2~65535分频

XUARTPS_RXTOUT寄存器XUARTPS_RXTOUT_OFFSET (0x1CU)

Field Name	Bits	Type	Reset Value	Description
XUARTPS_RXTOUT	31:0	WR	0x0	31~8bit:保留(只读) 7~0bit:接收超时寄存器 0-禁用接收超时 1~255个baud_sample 时钟周期作为超时检测

XUARTPS_RXWM寄存器XUARTPS_RXTOUT_OFFSET (0x20U)

Field Name	Bits	Type	Reset Value	Description
XUARTPS_RXWM	31:0	WR	0x20	31~6bit:保留(只读) 5~0bit:接收FIFO触发值 0-禁用触发 1~63 FIFO当FIFO已经有了相应数据产生接收触发中断

XUARTPS_MODEMCR寄存器XUARTPS_MODEMCR_OFFSET (0x24U)

Modem控制寄存器该寄存器本实验不涉及不介绍

XUARTPS_MODEMSR寄存器XUARTPS_MODEMSR_OFFSET (0x28U)

Modem状态寄存器该寄存器本实验不涉及不介绍

XUARTPS_SR寄存器XUARTPS_SR_OFFSET (0x2CU)

只读通道状态寄存器，可以对 UART设计的原始未屏蔽状态信息的持续监控。

Field Name	Bits	Type	Reset Value	Description
XUARTPS_SR	31:0	RO	0x00	31~15bit:保留(只读) 14bit:发送FIFO满连续状态(TNFUL) 1-TX FIFO未使用的空间大于1 0-TX FIFO就剩1个未使用空间 13bit:发送FIFO触发连续状态(TTRIG) 1-TX FIFO的数据量大于或等于触发值 0-TX FIFO的数据量小于触发值 12bit:接收流延迟触发连续状态(FLOWDEL) 1-RX FIFO的数据量大于或者等于FDEL 0-RX FIFO的数据量小于FDEL 11bit:发送状态机激活(TACTIVE) 1-激活 0-未激活 10bit:接收状态机激活(RACTIVE) 1-激活 0-未激活 9~5bit:保留(只读) 4bit:发送FIFO满连续状态(TXFULL) 1-TX FIFO满 0-TX FIFO未满 3bit:发送FIFO空连续状态(TXEMPTY) 1-TX FIFO空 0-TX FIFO非空 2bit:接收FIFO满连续状态(RXFULL) 1-RX FIFO满 0-RX FIFO未满 1bit:接收FIFO空连续状态(RXEMPTY) 1-RX FIFO空 0-RX FIFO非空 0bit:接收FIFO触发连续状态(RXOVR) 1-RX FIFO的数据量大于或等于触发值 0-RX FIFO的数据量小于触发值

XUARTPS_FIFO寄存器XUARTPS_FIFO_OFFSET (0x30U)

Field Name	Bits	Type	Reset Value	Description
XUARTPS_FIFO	31:0	WR	0x20	31~8bit:保留(只读) 7~0bit:发送或者接收FIFO

Baud_rate_divider_reg0寄存器Baud_rate_divider_reg0 (0x34U)

baud_sample被分频成多少产生波特率

Field Name	Bits	Type	Reset Value	Description
BDIV	31:0	WR	0x20	31~8bit:保留(只读) 7~0bit: 0~3:保留 4~255:用于波特率分频

Flow_delay_reg0寄存器Flow_delay_reg0 (0x38U)本实验用不到该寄存器只有在调制解调器控制寄存器的 FCM 字段中启用了自动流控制模式时，才使用流控制延迟寄存器。当使能自动流控制模式时，该寄存器指定EMIOUARTxRTSN输出被取消置位的接收器FIFO级别。 EMIOUARTxRTSN 输出仅在填充水平降至低于 FDEL 的 4 倍以下时才会再次置位。

Tx_FIFO_trigger_level0寄存器Tx_FIFO_trigger_level0 (0x3CU)

baud_sample被分频成多少产生波特率

Field Name	Bits	Type	Reset Value	Description
TTRIG	31:0	WR	0x20	31~6bit:保留(只读) 5~0bit: 0:禁用FIFO触发功能 1~63:设置FIFO触发的数据量

5 搭建SOC系统工程

本实验无须搭建新工程，可运行于任意系统之上。若无可运行系统请参考“[米联客-XILINX-H3_CZ08_7100] LINUX基础篇连载-05 恢复出厂及固化至eMMC内系统”，重新制作系统。

6 程序分析

在Linux系统中，串口可以作为字符驱动调用，此处不再赘述字符驱动，若不熟悉请看第一章内容。

#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
#include <fcntl.h>
#include <termios.h>
int main(int argc, char **argv)
{
int fd = open("/dev/tty", O_RDWR | O_NOCTTY);
if (fd < 0)
{
//打开串口失败，退出
printf("open failed\n");
return -1;
}
while (1)
{
unsigned char buffer[1024] = {0};
int ret = read(fd, buffer, sizeof(buffer));
if (ret > 0)
{
printf("Printf: %s", buffer);
int n = write(fd, buffer, ret);
if (n != ret)
printf("send failed\n");
if (buffer[0] == 81 || buffer[0] == 113)
break;
}
else
usleep(1000 * 50);
}
close(fd);
return 0;
}

复制代码

行8，打开串口设备。

行16，使用while反复检测是否有输入。

行19，使用read函数读取串口数据。

行22，使用printf打印出收到的数据。

行24，使用串口输出收到的串口数据。

7 演示结果

将与资料对应的demo拷贝至sd卡文件系统的/home/uisrc/内。

弹出sd卡插入开发板。

SD2.0 启动 01 而模式开关为 ON OFF（7100 需要先将系统烧录进qspi，然后才能从qspi启动sd卡，“[米联客-XILINX-H3_CZ08_7100] LINUX基础篇连载-04 从vitis移植Ubuntu实现二次开发”）

将 PS 端串口线连接电脑，如果要使用 ssh 登录，将网口线同样连接至电脑，最后给开发板通电。每次重新上电，需要重新插拔 PS 串口，否则会登录失败。

登录板卡后，cd至demo的位置：

运行sudo ./psuart查看结果，root的密码为root：

输入一些字符测试，输入完毕按回车。这里输入了test作为测试，test输出了两遍，第一遍为printf输出，第二遍为串口输出。输入Q、q或者ctrl+c可退出程序。

若想自己编译，可使用gcc命令：

可以看到编译完多了一个文件，gcc编译的默认输出名称为a.out。

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