基于嵌入式NiosⅡ軟核的串口直接讀寫寄存器方式編程

時間：2010-09-30 01:14:22

關鍵字：串口寄存器嵌入式編程

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[導讀]基于嵌入式NiosⅡ軟核的串口直接讀寫寄存器方式編程

O 引言
    Altera公司的FPGA作為全定制芯片的一個代表正在得到日益廣泛的應用。為了用戶使用方便，Altera公司推出嵌入式軟核NiosⅡ可以便利地使用工具生成并放人FPGA芯片中。NiosⅡ軟核可以在用戶的系統(tǒng)中處理一些諸如人機接口界面、內部時序邏輯控制、外部設備初始化等工作。通用異步收發(fā)器(UART)，是嵌入式系統(tǒng)上很常用的一個串行接口，由于其方便、簡單、易用等特性，在嵌入式系統(tǒng)中依然扮演著十分重要的角色。所以Altera才把UART作為一個連接Nios／NiosⅡ與其相關外設的IP放在SoPC Builder里面供用戶使用。Nios一代調試甚至直接用串口。
    NiosⅡ處理器是Intel公司為Altera公司推出的一個32位精簡指令處理器軟核。在Altera公司推出的軟件SoPC中加載NiosⅡ軟核和相應的外圍接口以及與定義相應的自定義指令，然后對設計進行綜合，下載到FPGA中就可以方便地實現(xiàn)一個具有高速DSP功能的嵌入式處理器。
    NiosⅡ處理器的軟件開發(fā)是建立在ANSI C基礎上的。NiosⅡIDE是NiosⅡ系列嵌入式處理器的主要軟件開發(fā)工具。用戶可以在NiosⅡIDE中完成所有的軟件開發(fā)任務，如編輯、編譯、下載、調試和閃存編程。NiosⅡ嵌入式系統(tǒng)的一個重要問題就是軟件代碼量的大小，這關系到存放代碼的存儲器件容量大小，因此控制和減小程序代碼量是降低系統(tǒng)成本的重要方法，必須首先從處理器的啟動順序開始研究。

1 串口C語言方式編程
    使用該方法要加上下面語句：

    執(zhí)行上面程序可以得到串口輸出結果。
    如果不調用alt_main()函數(shù)，則系統(tǒng)默認運行步驟如下：
    (1)調用alt_os_int()函數(shù)來執(zhí)行任何操作系統(tǒng)所特有的初始化。如果HAL是在操作系統(tǒng)里運行的，那么初始化alt_fd_list_lock命令。它可以控制訪問HAL文件系統(tǒng)，初始化中斷控制器并執(zhí)行中斷。
    (2)調用alt_sys_init()函數(shù)，以初始化系統(tǒng)里所有的驅動裝置和軟件組成部分。
    (3)重新設置C標準I／O通道(stdin，stdout，stderr)，以使用合適的器件。
    (4)調用main()。
    (5)調用exit()。main()的返回代碼作為exit()的輸入。
    該方式使用串口比較簡單，但是占用的存儲資源比較大，編譯時間也較長。

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2 串口直接讀寫寄存器方式編程
2．1 串口初始化
    NiosⅡ的串口編程有多種方式，比較多的是采用標準C語言寫法，占用程序空間比較大。NiosⅡ處理器的啟動可采用2種方式：自動初始化和用戶自定義初始化。ANSI C標準定義應用程序可以通過調用main()來開始執(zhí)行。在調用main()之前，應用程序假定運行環(huán)境和所有的服務系統(tǒng)都被初始化并準備運行。初始化可以被硬件抽象層(HAL)系統(tǒng)庫自動執(zhí)行。程序員不需要考慮系統(tǒng)的輸出設備以及如何初始化每一個外設，HAL會自動初始化整個系統(tǒng)。
    另外，ANSI C標準也提供了一個可變的入口點程序，以避免自動初始化。ANSI C標準還定義程序員能手動初始化任何所用的硬件。alt_ main()函數(shù)提供了一個獨立式的編程環(huán)境，能夠完全控制系統(tǒng)的初始化。獨立式編程環(huán)境可以使程序員手動編寫初始化系統(tǒng)的代碼。
    HAL提供的系統(tǒng)初始化代碼按以下啟動順序運行：
    (1)啟動指令和數(shù)據(jù)高速緩沖存儲器；
    (2)配置堆棧；
    (3)配置全局指針；
    (4)通過鏈接器提供的_bss_start和_bss_end來零初始化BSS層，_bss_start和_bss_end是開始和結束BSS的命令；
    (5)如果當前系統(tǒng)沒有啟動下載器，就復制.rwdata，．rodata或者剩下的部分到RAM；
    (6)調用alt_main()。
    在NiosⅡIDE工程中，只需簡單定義alt_main()就可以實現(xiàn)用戶的啟動順序，而且能夠選擇HAL的服務程序。如果應用程序需要一個alt_ main()入口點程序，可以復制默認的執(zhí)行作為開始點，根據(jù)要求來定制它。

    使用獨立式編程環(huán)境會增加NiosⅡ程序編寫的復雜性。獨立式編程環(huán)境的主要作用在于減小代碼量，但要使用這種方法，需要對NiosⅡ處理器的外設和驅動編寫都非常熟悉才行。在NiosⅡIDE中也可以通過某些選項來減小HAL系統(tǒng)庫容量，從而達到減小代碼量的目的，比使用獨立式編程環(huán)境容易得多。
    串口部分程序初始化代碼如下：
    //串口中斷初始化

2．2 串口收發(fā)通信程序
    串口的收發(fā)可采用查詢和中斷方式，中斷方式要更好一些。
    查詢方式發(fā)送子程序代碼如下：

   [!--empirenews.page--] 查詢方式接收子程序代碼如下：

    因為串口的中斷號是惟一的，所以中斷方式接收發(fā)送只能在一個中斷函數(shù)內。中斷方式接收發(fā)送子程序代碼如下：

    該中斷處理程序可進行中斷方式接收發(fā)送，如果程序需要進行精確的接收發(fā)送，還需加上中斷程序和主程序的相互控制變量。
2．3 串口通信調試
    在Nios中調試“Hello world!”范例的時候往往會出現(xiàn)這樣的錯誤：nios2-terminal：can‘t open uart：Permission denied。這是因為在調試程序時，打開了另外的串口調試工具，或者可以說是串口偵聽器。但實際上NIOS IDE中已經集成了串口調試工具，或者串口偵聽器。在任務管理器中nios2-terminal．exe就是這個偵聽串口的進程。
    所以，如果用NIOS IDE來觀察發(fā)送的數(shù)據(jù)，就不要用其他的串口調試工具，如果在編譯之前就打開了其他的串口偵聽器，編譯鏈接的時候就會出現(xiàn)上述的錯誤。而在程序編譯鏈接后再去打開其他的串口偵聽器，串口就會因為nios2-terminal．exe占用而無法打開。解決的方法，如果想用NIOS IDE觀察的話就不要事先打開其他的串口調試工具。而如果想用其他的串口調試工具來觀察數(shù)據(jù)，通過USB_BLASTER將數(shù)據(jù)下載到板子后，刪除任務管理器中的nios2_terminal．exe，然后打開串口調試工具。如果程序沒有問題，運行后就可以看到數(shù)據(jù)。

3 結果與討論
    為證明以上程序的可運用性，特別制作了電路來驗證，芯片使用EP3C40，PC端使用串口調試助手，波特率為19 200 b／s，8位數(shù)據(jù)位，1位停止位，無校驗位。實驗結果如圖2所示。