UART寄存器介紹與中斷操作詳解

簡(jiǎn)介

UART核提供了一個(gè)Avalon存儲(chǔ)器映射（Avalon-MM）的接口，這個(gè)接口使得Avalon-MM的主要周邊設(shè)備（例如Nios II處理器）通過(guò)讀和寫(xiě)數(shù)據(jù)、控制寄存器，就能實(shí)現(xiàn)和UART核通信的任務(wù)。所以在簡(jiǎn)介部分，我們會(huì)對(duì)常用的寄存器進(jìn)行詳細(xì)的介紹。

上圖為一個(gè)典型系統(tǒng)中的UART核，它有兩個(gè)用戶可見(jiàn)的部分：

l可通過(guò)Avalon-MM從接口訪問(wèn)的寄存器

lRXD, TXD, CTS, and RTS等RS-232接口信號(hào)

圖中可以看到，在RXD端口與rxdata寄存器之間、TXD與txdata寄存器之間存在著移位寄存器。在Qsys，我們只講解UART核的工作原理，以及該核的使用方法。前面提到，我們是通過(guò)讀、寫(xiě)相關(guān)的寄存器，實(shí)現(xiàn)的串口通信功能。那么接下來(lái)，我們將講解主要的寄存器——狀態(tài)寄存器、控制寄存器、數(shù)據(jù)寄存器。其中狀態(tài)、控制寄存器與配置IRQ（中斷請(qǐng)求）相關(guān)。

寄存器相關(guān)簡(jiǎn)介

下圖為UART核的寄存器信息表，其中數(shù)據(jù)寄存器（rxdata、txdata）、狀態(tài)寄存器（status）、控制寄存器（control）是重點(diǎn)，括號(hào)部分的注釋內(nèi)容在表的下部。

（1）這些位可能不存在，取決于數(shù)據(jù)位寬的硬件選項(xiàng)。如果它們不存在，讀出的值為0。且如果對(duì)它們進(jìn)行寫(xiě)操作，則沒(méi)有意義。

（2）給status（狀態(tài)）寄存器寫(xiě)0將清零dcts, e, toe, roe, brk, fe, and pe等位。

（3）這些寄存器可能不存在，取決于硬件配置選項(xiàng)。如果寄存器不存在，對(duì)它進(jìn)行讀操作會(huì)返回未定義的值，且進(jìn)行寫(xiě)操作則無(wú)意義。

rxdata寄存器

rxdata寄存器用于存儲(chǔ)RXD輸入引腳接收的數(shù)據(jù)。當(dāng)一個(gè)新的數(shù)據(jù)被RXD輸入引腳完全接受后，會(huì)被傳輸并存儲(chǔ)到rxdata寄存器，此時(shí)status寄存器（狀態(tài)寄存器）的rrdy位會(huì)被置1。當(dāng)rxdata寄存器中的值被讀了之后，status寄存器中的rrdy位會(huì)被清零。當(dāng)rrdy位為1時(shí)，又有一個(gè)新的字符傳輸給rxdata寄存器，則會(huì)產(chǎn)生溢出錯(cuò)誤，狀態(tài)寄存器的ROE位被置1。不管前一個(gè)字符是否被讀出，新接收到的字符總是會(huì)被自動(dòng)保存到rxdata寄存器。另外，對(duì)rxdata寄存器進(jìn)行寫(xiě)操作無(wú)意義。

txdata寄存器

Avalon主控制器把要發(fā)送的字符寫(xiě)入到txdata寄存器中。當(dāng)一個(gè)字符寫(xiě)入txdata寄存時(shí)，狀態(tài)寄存器（status寄存器）的TRDY位會(huì)被置0；當(dāng)字符從txdata寄存器傳輸?shù)桨l(fā)送移位寄存器時(shí)，狀態(tài)寄存器（status寄存器）的TRDY位被置為1。當(dāng)TRDY位為0時(shí)，將字符寫(xiě)入txdata寄存器的結(jié)果是未定義的。讀txdata返回未定義的值。

status寄存器（狀態(tài)寄存器）

狀態(tài)寄存器（status寄存器）由可以反應(yīng)UART核狀態(tài)情況的獨(dú)立位組成。每個(gè)狀態(tài)位和對(duì)應(yīng)的控制寄存器中，能使能中斷的位相聯(lián)系。任何時(shí)候都可以讀取狀態(tài)寄存器。且讀操作不會(huì)改變寄存器任何位的值。給狀態(tài)寄存器寫(xiě)0，會(huì)清零DCTS、E、TOE、ROE、BRK、FE和PE位。狀態(tài)寄存器的位相關(guān)信息在下表中列出：

Control寄存器（控制寄存器）

控制寄存器由獨(dú)立的各個(gè)位構(gòu)成，每個(gè)位控制UART核操作的一個(gè)方面。我們?cè)谌魏螘r(shí)間都可以讀控制寄存器。每一個(gè)控制寄存器中與狀態(tài)寄存器對(duì)應(yīng)的位，都可以使能一個(gè)IRQ。當(dāng)控制寄存器中與狀態(tài)寄存器對(duì)應(yīng)的位的值都為1時(shí)，就會(huì)觸發(fā)一個(gè)IRQ。

divisor寄存器（可選）

divisor寄存器中的值是用來(lái)產(chǎn)生波特率時(shí)鐘的。有效的波特率由這個(gè)公式?jīng)Q定：

波特率=（時(shí)鐘頻率）/（divisor+1）

divisor寄存器是一種可選的硬件功能。如果沒(méi)有使能Baud Rate Can Be Changed By Software（波特率能被軟件改變）這個(gè)選項(xiàng)，將不存在divisor寄存器。這種情況下，寫(xiě)divisor寄存器沒(méi)有作用，讀它返回一個(gè)未定義的值。

endofpacket寄存器（可選）

endofpacket寄存器中的值決定了可變長(zhǎng)度DMA傳輸?shù)慕Y(jié)束字符。復(fù)位后，默認(rèn)值是0，是ASCII碼中的空值字符（?）。endofpacket寄存器是一種可選的硬件功能。如果沒(méi)有使能Include end-of-packet register這個(gè)選項(xiàng)，將不存在endofpacket寄存器。這種情況下，寫(xiě)endofpacket寄存器沒(méi)有作用，讀它返回一個(gè)未定義的值。

中斷操作

UART核輸出一個(gè)單獨(dú)的IRQ信號(hào)給Avalon-MM接口。而Avalon-MM接口能連到系統(tǒng)中的任意一個(gè)主設(shè)備，例如Nios II處理器。主設(shè)備在對(duì)status寄存器進(jìn)行讀操作之后，才能確定中斷產(chǎn)生的原因。每一個(gè)中斷在status寄存器有相應(yīng)的位，并在control寄存器中有一個(gè)使能位。當(dāng)一個(gè)中斷發(fā)生時(shí)，相關(guān)的status位置1，直到它被回應(yīng)了（acknowledged）。當(dāng)任意一個(gè)status位置1，且相應(yīng)的中斷使能位是1時(shí)觸發(fā)IRQ。一個(gè)主設(shè)備可以通過(guò)清零status寄存器來(lái)回應(yīng)（acknowledge）IRQ。復(fù)位的時(shí)候，所有的中斷使能位置0。因此，核無(wú)法觸發(fā)IRQ，直到主設(shè)備使一個(gè)或多個(gè)中斷使能位置1。

這里總結(jié)一下：一個(gè)可以觸發(fā)的中斷與它相應(yīng)的status和control（中斷使能）位有關(guān)。

硬件配置內(nèi)容

如圖為UART核的配置界面：

UART核有Basic settings（基礎(chǔ)設(shè)置）和Baud rate（波特率）這兩個(gè)可以設(shè)置的部分。

1.Parity（奇偶校驗(yàn)）

Partity一欄有None（無(wú)）、Even（偶）、Odd（奇）這三個(gè)選項(xiàng)。這個(gè)設(shè)置用來(lái)確定UART是否發(fā)送有奇偶校驗(yàn)的字符，以及它是否期望接收到的有奇偶校驗(yàn)的字符。當(dāng)Parity設(shè)為None時(shí)，發(fā)送邏輯發(fā)送不包含校驗(yàn)位的數(shù)據(jù)，且接收邏輯設(shè)定接收到的數(shù)據(jù)也不包含校驗(yàn)位。status寄存器中的PE（校驗(yàn)錯(cuò)誤）位無(wú)效，其數(shù)值始終為0。當(dāng)Parity設(shè)為Odd或Even時(shí)，發(fā)送邏輯計(jì)算并插入所需的校驗(yàn)位到將要輸出的TXD數(shù)據(jù)流，且接收邏輯檢驗(yàn)接收到的RXD位流中的校驗(yàn)位。如果接收器發(fā)現(xiàn)結(jié)果不正確，則status寄存器中的PE位會(huì)被置1.當(dāng)Parity設(shè)置為Even（偶）時(shí)，字符中有偶數(shù)個(gè)1，則校驗(yàn)位為0；同樣，當(dāng)Parity設(shè)為Odd時(shí)，若字符中有奇數(shù)個(gè)1，則校驗(yàn)位為0。

2.Data bits（數(shù)據(jù)位）

Data bits一欄有7、8、9這三個(gè)可以設(shè)置的選項(xiàng)。這個(gè)設(shè)置決定txdata、rxdata、endofpacket這三個(gè)寄存器的位寬。

3. Stop bits（停止位）

Stop bits一欄有7、8、9這三個(gè)可以設(shè)置的選項(xiàng)。這個(gè)設(shè)置決定了核在傳輸每一個(gè)字符時(shí)，是有1還是2個(gè)停止位。UART核總是在接收到第一個(gè)停止位的時(shí)候，就停止接收操作，忽略掉附帶的停止位，無(wú)論什么設(shè)置。

4. Synchronizer Stages

這個(gè)設(shè)置與寄存器的長(zhǎng)度以及亞穩(wěn)態(tài)事件相關(guān)，這里一般使用默認(rèn)設(shè)置即可。

5. Include CTS/RTS

選擇是否使用串口的“流控”功能，一般很少使用。

6. Include end-of-packet

選擇是否設(shè)置數(shù)據(jù)流的結(jié)束標(biāo)志（end-of-packet），一般很少使用。

7. Baud Rate（波特率設(shè)置）

UART內(nèi)核可實(shí)現(xiàn)RS-232標(biāo)準(zhǔn)中的任意波特率。波特率可配置為以下方式中的一種：

l固定的波特率——波特率在系統(tǒng)生成時(shí)被確定，且不能通過(guò)Avalon從控制器端口改變它的值。

l可變的波特率——基于divisor寄存器中存儲(chǔ)的時(shí)鐘分頻值，波特率是可變的。主控制器通過(guò)向divisor寄存器中寫(xiě)入新值來(lái)改變波特率。

波特率的計(jì)算依賴于Avalon-MM接口提供的時(shí)鐘頻率。在硬件改變系統(tǒng)時(shí)鐘頻率，卻沒(méi)有重新生成UART核會(huì)導(dǎo)致錯(cuò)誤的信號(hào)。

Baud Rate設(shè)置決定了復(fù)位后的波特率。Baud Rate選項(xiàng)提供了標(biāo)準(zhǔn)的預(yù)設(shè)值。也允許用戶輸入任何非標(biāo)準(zhǔn)波特率。為了實(shí)現(xiàn)所需要的波特率，通常根據(jù)波特率計(jì)算時(shí)鐘分頻系數(shù)。

波特率與分頻系數(shù)的關(guān)系如下：

除數(shù)=int（（時(shí)鐘頻率）/（波特率）+ 0.5）

波特率=（時(shí)鐘頻率）/（除數(shù)+ 1）

當(dāng)選擇Fixed baud rate 時(shí)，UART 硬件中不再包括divisor寄存器。UART 硬件使用固定的波特率分頻系數(shù)，且在系統(tǒng)生成后無(wú)法改變。這種情況下向地址偏移值4的地方寫(xiě)數(shù)據(jù)無(wú)作用，且讀地址偏移值4的地址返回未定義的結(jié)果。當(dāng)不選擇Fixed baud rate 時(shí)，硬件中會(huì)在地址偏移值4生成一個(gè)16 位的divisor寄存器。divisor寄存器是可寫(xiě)的，所以可以通過(guò)向分頻寄存器寫(xiě)入新值來(lái)改變波特率。