基于嵌入式NiosⅡ軟核的串口直接讀寫(xiě)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(gè)代表正在得到日益廣泛的應(yīng)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(jī)接口界面、內(nèi)部時(shí)序邏輯控制、外部設(shè)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(gè)串行接口，由于其方便、簡(jiǎn)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(gè)連接Nios／NiosⅡ與其相關(guān)外設(shè)的IP放在SoPC Builder里面供用戶使用。Nios一代調(diào)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(gè)32位精簡(jiǎn)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(yīng)的外圍接口以及與定義相應(yīng)的自定義指令，然后對(duì)設(shè)計(jì)進(jìn)行綜合，下載到FPGA中就可以方便地實(shí)現(xiàn)一個(gè)具有高速DSP功能的嵌入式處理器。
    NiosⅡ處理器的軟件開(kāi)發(fā)是建立在ANSI C基礎(chǔ)上的。NiosⅡIDE是NiosⅡ系列嵌入式處理器的主要軟件開(kāi)發(fā)工具。用戶可以在NiosⅡIDE中完成所有的軟件開(kāi)發(fā)任務(wù)，如編輯、編譯、下載、調(diào)試和閃存編程。NiosⅡ嵌入式系統(tǒng)的一個(gè)重要問(wèn)題就是軟件代碼量的大小，這關(guān)系到存放代碼的存儲(chǔ)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(dòng)順序開(kāi)始研究。

1 串口C語(yǔ)言方式編程
    使用該方法要加上下面語(yǔ)句：

    執(zhí)行上面程序可以得到串口輸出結(jié)果。
    如果不調(diào)用alt_main()函數(shù)，則系統(tǒng)默認(rèn)運(yùn)行步驟如下：
    (1)調(diào)用alt_os_int()函數(shù)來(lái)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(yùn)行的，那么初始化alt_fd_list_lock命令。它可以控制訪問(wèn)HAL文件系統(tǒng)，初始化中斷控制器并執(zhí)行中斷。
    (2)調(diào)用alt_sys_init()函數(shù)，以初始化系統(tǒng)里所有的驅(qū)動(dòng)裝置和軟件組成部分。
    (3)重新設(shè)置C標(biāo)準(zhǔn)I／O通道(stdin，stdout，stderr)，以使用合適的器件。
    (4)調(diào)用main()。
    (5)調(diào)用exit()。main()的返回代碼作為exit()的輸入。
    該方式使用串口比較簡(jiǎn)單，但是占用的存儲(chǔ)資源比較大，編譯時(shí)間也較長(zhǎng)。

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2 串口直接讀寫(xiě)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(biāo)準(zhǔn)C語(yǔ)言寫(xiě)法，占用程序空間比較大。NiosⅡ處理器的啟動(dòng)可采用2種方式：自動(dòng)初始化和用戶自定義初始化。ANSI C標(biāo)準(zhǔn)定義應(yīng)用程序可以通過(guò)調(diào)用main()來(lái)開(kāi)始執(zhí)行。在調(diào)用main()之前，應(yīng)用程序假定運(yùn)行環(huán)境和所有的服務(wù)系統(tǒng)都被初始化并準(zhǔn)備運(yùn)行。初始化可以被硬件抽象層(HAL)系統(tǒng)庫(kù)自動(dòng)執(zhí)行。程序員不需要考慮系統(tǒng)的輸出設(shè)備以及如何初始化每一個(gè)外設(shè)，HAL會(huì)自動(dòng)初始化整個(gè)系統(tǒng)。
    另外，ANSI C標(biāo)準(zhǔn)也提供了一個(gè)可變的入口點(diǎn)程序，以避免自動(dòng)初始化。ANSI C標(biāo)準(zhǔn)還定義程序員能手動(dòng)初始化任何所用的硬件。alt_ main()函數(shù)提供了一個(gè)獨(dú)立式的編程環(huán)境，能夠完全控制系統(tǒng)的初始化。獨(dú)立式編程環(huán)境可以使程序員手動(dòng)編寫(xiě)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(dòng)順序運(yùn)行：
    (1)啟動(dòng)指令和數(shù)據(jù)高速緩沖存儲(chǔ)器；
    (2)配置堆棧；
    (3)配置全局指針；
    (4)通過(guò)鏈接器提供的_bss_start和_bss_end來(lái)零初始化BSS層，_bss_start和_bss_end是開(kāi)始和結(jié)束B(niǎo)SS的命令；
    (5)如果當(dāng)前系統(tǒng)沒(méi)有啟動(dòng)下載器，就復(fù)制.rwdata，．rodata或者剩下的部分到RAM；
    (6)調(diào)用alt_main()。
    在NiosⅡIDE工程中，只需簡(jiǎn)單定義alt_main()就可以實(shí)現(xiàn)用戶的啟動(dòng)順序，而且能夠選擇HAL的服務(wù)程序。如果應(yīng)用程序需要一個(gè)alt_ main()入口點(diǎn)程序，可以復(fù)制默認(rèn)的執(zhí)行作為開(kāi)始點(diǎn)，根據(jù)要求來(lái)定制它。

    使用獨(dú)立式編程環(huán)境會(huì)增加NiosⅡ程序編寫(xiě)的復(fù)雜性。獨(dú)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(duì)NiosⅡ處理器的外設(shè)和驅(qū)動(dòng)編寫(xiě)都非常熟悉才行。在NiosⅡIDE中也可以通過(guò)某些選項(xiàng)來(lái)減小HAL系統(tǒng)庫(kù)容量，從而達(dá)到減小代碼量的目的，比使用獨(dú)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?yàn)榇诘闹袛嗵?hào)是惟一的，所以中斷方式接收發(fā)送只能在一個(gè)中斷函數(shù)內(nèi)。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(jìn)行中斷方式接收發(fā)送，如果程序需要進(jìn)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(diào)試
    在Nios中調(diào)試“Hello world!”范例的時(shí)候往往會(huì)出現(xiàn)這樣的錯(cuò)誤：nios2-terminal：can‘t open uart：Permission denied。這是因?yàn)樵谡{(diào)試程序時(shí)，打開(kāi)了另外的串口調(diào)試工具，或者可以說(shuō)是串口偵聽(tīng)器。但實(shí)際上NIOS IDE中已經(jīng)集成了串口調(diào)試工具，或者串口偵聽(tīng)器。在任務(wù)管理器中nios2-terminal．exe就是這個(gè)偵聽(tīng)串口的進(jìn)程。
    所以，如果用NIOS IDE來(lái)觀察發(fā)送的數(shù)據(jù)，就不要用其他的串口調(diào)試工具，如果在編譯之前就打開(kāi)了其他的串口偵聽(tīng)器，編譯鏈接的時(shí)候就會(huì)出現(xiàn)上述的錯(cuò)誤。而在程序編譯鏈接后再去打開(kāi)其他的串口偵聽(tīng)器，串口就會(huì)因?yàn)閚ios2-terminal．exe占用而無(wú)法打開(kāi)。解決的方法，如果想用NIOS IDE觀察的話就不要事先打開(kāi)其他的串口調(diào)試工具。而如果想用其他的串口調(diào)試工具來(lái)觀察數(shù)據(jù)，通過(guò)USB_BLASTER將數(shù)據(jù)下載到板子后，刪除任務(wù)管理器中的nios2_terminal．exe，然后打開(kāi)串口調(diào)試工具。如果程序沒(méi)有問(wèn)題，運(yùn)行后就可以看到數(shù)據(jù)。

3 結(jié)果與討論
    為證明以上程序的可運(yùn)用性，特別制作了電路來(lái)驗(yàn)證，芯片使用EP3C40，PC端使用串口調(diào)試助手，波特率為19 200 b／s，8位數(shù)據(jù)位，1位停止位，無(wú)校驗(yàn)位。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖2所示。

    經(jīng)實(shí)驗(yàn)證明，該方法簡(jiǎn)單可靠，可以生成比較小的代碼。

4 結(jié)語(yǔ)
    本文討論了嵌入式軟核NiosⅡ中串口模塊的編程方法，給出了串口模塊編程的示例代碼，經(jīng)實(shí)際運(yùn)用，效果良好，具有一定的參考意義。