基于NIOS II系统的异步串行通信功能的实现

颜丽莎 朱力宏

(郑州铁路职业技术学院，河南 郑州 450052)

NIOS II系统是Altera公司推出的32位RSIC嵌入式处理器。它具有完善的软件开发套件，包括编译器、集成开发环境、JTAG调试等，设计者能够用Altera Quarter II开发软件的SOPC Builde系统开发工具创建处理器系统，并能够根据需求添加其组件。［1］

通用异步收发器(UART)，是嵌入式系统上很常用的一个串行接口，由于其方便、简单、易用等特性，在嵌入式系统中扮演着十分重要的角色。UART通过电平转换可实现RS232、RS485、RS422等工业标准的接口，在相关工业控制通信中应用十分广泛。UART通信主要通过RXD和TXD两条信号线，即可实现全双工串行通信。

在一些应用中，往往需要两三个甚至多个串口，选用现成的MCU方案，显然很难满足需求。由于UART作为一个组件与其相关外设的IP放在SOPC Builder里，可供用户直接调用。因此，基于FPAG芯片的NIOS系统，可根据需求方便地配置出多个，甚至是几十个串口，而且可任意分配引脚。因此，讨论和采用NIOS II系统实现串口通信功能具有重要的实际意义。

在以往的关于基于NIOS II系统串口使用的文章中，往往只针对于寄存器控制等某一细节问题进行讨论。实际使用中，串口的软件控制可以通过HAL系统库、寄存器等几种不同的控制方法实现。其每一种方法又各有优劣，适合于不同的应用场合。本文从NIOS II系统中串口硬件定制入手，重点讨论几种不同软件控制方法的实现及特点，并提供了详细的例程代码，为NIOS II系统的使用开发者提供设计参考。

1 硬件设计

本设计中要实现带NIOS II的FPGA系统与其它系统间的串行通讯，首先要建立硬件连接。在硬件设计中，通常采用接口芯片MAX3232构成RS232硬件电路实现不同系统间的电平匹配。

在Quartus II中新建工程，将图形设计作为顶层文件，通过SOPC将NIOS II系统模块建立到顶层文件中。NIOS II处理器提供了丰富的外围设备，可以根据需求在SOPC Builder中添加，其中主要包括UART串口IP核。

UART核实现了基于FPGA的嵌入式系统与外部器件之间的串行字符流通信。该核可实现RS－232协议，提供可以调节的波特率、校验、停止/数据位，以及可选的RTS/CTS控制信号，用户可以根据需要配置该核。

UART核提供了一个简单的寄存器映像Avalon从端口，它允许Avalon主外设(如NIOS II处理器)简单地通过读和写控制寄存器与该核实现通信。

该核可直接由SOPC Builder工具创建，创建完成后的接口信号有RXD、TXD、CTX和RTS(其中后两项可选)。定制时，可通过配置对话框设定UART核的各项参数。

主要参数有:

(1)波特率设置选项

UART核可以实现RS－232的所有标准波特率。波特率可以设定为固定波特率和可变波特率。当设定为固定波特率时，通过下拉框可选115200/9600等，不能通过软件修改。可变波特率可以通过写divisor寄存器设定分频值，来改变波特率值。

(2)数据位、停止位和奇偶校验位设置

这些参数只能在配置系统创建时设置，不能在系统生成后通过写相应的寄存器修改。

(3)流控制

当流控制选项Include CTS/RST pin＆ contro lregister bits选中时，UART核的cts、dcts、rts、idcts等寄存器位直接反映流控制信号，如果该选项未被选中时，这些状态位总是读为0。

UART核中的Avalon接口可选择实现流传输模式。这允许主设备仅在UART准备接收一个字符时写数据，且仅在UART有效数据时读数据，当选项Include end－of－packet register是on状态时，UART核可以结束一个与主设备之间的流模式数据传输。它能自动将接收的字符写到存储器中，直到RxD端接收到一个指定的字符为止。结束字符由endofpacket寄存器决定。

2 软件编程

建立硬件IP核完成硬件设计以后，在NIOS II集成开发环境里，通过软件编程及设置实现UART的控制。对于NIOS处理器用户来说，我们总结了有下列三种控制UART的编程方法。

2.1 采用HAL系统库驱动

用户可以使用ANSI C标准库函数访问UART核，例如printf()和getchar()等。ioctl()请求允许HAL用户直接控制UART核与硬件相关的功能。

HAL系统库API支持对UART核功能部件的完全访问。NIOS II程序把UART核看成是一个字符模式设备，使用ANSIC标准库函数发送和接收数据。

下面的代码是一个最简单的串口通信程序，具体功能是使用printf函数将一个字符显示到stdout设备上。

需要注意的是，这个例子中的SOPC Builder系统包含了一个名为uart0的UART核，采用这种方法的UART编程，要在NIOS II IDE的工程配置选项中将所使用的串口设备uart_0配置为stout。这种方法最简单，代码最少。但是缺点:1.效率较低;2.由于占用了stout等通道，调试时，无法用jtag_uart通过NIOS II内部控制台打印信息。

2.2 采用C标准库函数调用

通过使用C标准库函数对UART设备完成特定字符操作，这是对串口UART核的标准使用方法。如下面实例:

在本例中，SOPC Builder系统包含了一个名为uart1的UART核，该核不需要配置为stdout设备，程序中把UART设备作为HAL系统支持的文件类型打开并使用标准的文件操作函数对UART核进行读写。［2］

这种方法将串口作为一个设备调用，代码相对简单，但运行效率较低，适用实时性要求不高的场合。

2.3 通过UART寄存器操作。

NIOS II软核的串口直接读写寄存器方式的编程方法，与C语言的标准输入/输出语句相比，可极大地缩短程序执行时间，并使得CPU能同时处理其他事务。

头文件“altera_avalon_uart_regs.h”中定义了UART寄存器映射。［3］如下为根据寄存器实现UART功能的驱动程序uart.h文件的节选:

这段程序采用寄存器控制的方法实现了单个字节的发送。

这种方法采用寄存器直接控制串口，程序较为复杂，但执行效率最高，时间最短。

在Nios IDE集成开发环境中将程序进行编译和仿真后，可直接通过JTAG下载线进行在线Debug调试，也可利用Flash烧写工具Flash programer，通过JTAG下载接口，将*.pof文件和*.jdi文件烧写到片外Flash中后，实现脱机工作。最后将系统与计算机RS232串口相连通过串口调试助手进行通讯实验。

3 串口通信调试

在NIOS II中调试“Hello world!”的范例的时候，经常会出现这样的错误:nios2 terminal:can't open uart:Permission denied。这是因为在调试程序时，打开了另外的串口调试工具，或者认为是串口侦听器。实际上NIOS II中已经集成了串口调试工具(串口侦听器)。

在任务管理器中nios2 terminal.exe就是这个侦听串口的进程。所以，如果用NIOS II来观察发送的数据，就不要用其他的串口调试工具。如果在编译之前就打开了其他的串口侦听器，编译链接的时候就会出现上述的错误。而在程序编译链接后再去打开其他的串口侦听器，串口就会因为nios2 terminal.exe占用而无法打开。

解决的方法，如果想用NIOS IDE观察的话就不要事先打开其他的串口调试工具。而如果想用其他的串口调试工具来观察数据，通过下载器将FPGA配置文件下载到板子后，删除任务管理器中的nios2 terminal.exe，然后打开串口调试工具。如果程序没有问题，运行后就可以看到数据。［4］

［1］黄佳玮，陈福深.基于NIOS II的SOPC嵌入式系统设计［J］.电子元器件应用，2009，(7):48－51.

［2］王刚，张潋.基于FPGA的SOPC嵌入式系统设计与典型实例［M］.北京:电子工业出版社，2009:255－265.

［3］唐佳，杨路明.FPGA通用数字信号处理实验板的设计与实现［J］.科技创新导报，2010，(18):29－30.

［4］李锐.基于嵌入式NIOS II软核的串口直接读写寄存器方式编程［J］.西安:现代电子技术，2010，(14):37－39.

［5］杨英强.一种基于FPGA的UART电路实现［J］.现代电子技术，2005，(12):82－84.