基于nios的串口通信uart设计

发表于 8/30/2016 3:47:39 PM 阅读（9135）

开发环境：Quartus II 13.1 (64-Bit) + Nios II 13.1 Software Build Tools for Eclipse

Uart（通用异步收发器，也称异步串口）主要用于作通信，既然有异步通信，那一定有同步通信，对，确实有，同步串口，也就是所谓的Usrt，Usrt带一个时钟信号，一般来说，usrt比uart通信速率要快，但uart使用更简单，因此应用非常广泛。

对于RS-232通信，只需两根信号线（对应收发），一根地线即可完成通信，但传输距离较短，一般近距离（10m内）都没有问题；RS-485通信更简单，两线传输（差分信号），半双工，传输距离可以达到1000m；RS-422为4线传输，全双工模式，采用差分传输，传输距离与RS-485差不多。

初学者很容易陷入误区，通常说的Uart包括RS-232、RS-485、RS-422，比如RS-422属于Uart，但不等同于Uart。

最开始写uart的Verilog代码是参考大神特权同学的教程，用起来也是相当的方便，共需编写3个模块，分别为比特率生成模块、串口发送模块、串口接收模块，综合后RTL视图如下：

学习nios后发现可以直接用qsys中的uart核，用起来也是相当的方便啊，在qsys中添加相关Uart核来做串口通信其实很简单，如下图所示，只需添加on-chip memory核、nios核、uart核即可，将uart核的输出连出来。

Altpll输入时钟为50MHz，输出时钟100MHz，nios在100MHz时钟下运行。

在quartus工程中例化qsys，如下图所示，代码很简单，有么有！！！

module nios_uart(
input clk,
input rst_n,
input uart_rxd,
output uart_txd
);
small_nios small_nios_inst(
.clk_clk(clk), // clk.clk
.reset_reset_n(rst_n), // reset.reset_n
.uart_rxd(uart_rxd), // uart.rxd
.uart_txd(uart_txd) // .txd
);
endmodule

新建nios工程，添加如下代码，使用中断的方式进行串口通信，即FPGA每通过串口接收到一次数据，就进行一次中断，我们可以将要控制的部分写入串口中断服务程序中。

#include <stdio.h>
#include "unistd.h"
#include "system.h"
#include "alt_types.h"
#include "altera_avalon_uart_regs.h"
#include "sys\alt_irq.h"
#include "stddef.h"
static alt_u8 txdata = 0;
static alt_u8 rxdata = 0;
//UART中断服务函数
static void uart_isr(void * context,alt_u32 id)
{
    rxdata = IORD_ALTERA_AVALON_UART_RXDATA(UART_BASE);
    txdata = rxdata; //进行串口自收发
    //查询发送准备好信号，如果没有准备好，则等待
    while(!((IORD_ALTERA_AVALON_UART_STATUS(UART_BASE)&ALTERA_AVALON_UART_STATUS_TRDY_MSK)));
    //发送准备好，发送txdata
    IOWR_ALTERA_AVALON_UART_TXDATA(UART_BASE,txdata);
}
void uart_init()
{
    //清除状态寄存器
    IOWR_ALTERA_AVALON_UART_STATUS(UART_BASE,0);
    //使能接受准备好中断
    IOWR_ALTERA_AVALON_UART_CONTROL(UART_BASE,0X80);
}
int main()
{
    printf("Hello from Nios II!\n");
    //注册UART中断服务函数
    alt_irq_register(UART_IRQ,NULL,uart_isr);
    uart_init();
    return 0;
}

编译quartus工程和nios工程，通过后进行管脚分配，再编译一次quartus工程，下载逻辑和nios至FPGA，使用串口调试助手进行测试，打开串口后，发送数据至FPGA，FPGA接收到数据后进入中断服务程序，中断服务程序中txdata = rxdata;部分代码将接收到的数据发送出去，这样就完成了串口的自收发，结果如下。

当然，对于一些简单的控制（少于256种方式），比较简单的协议（发送一个字节）完全可以搞定问题，比如发送01，执行一种操作，……，ff执行另外一种操作。但是当控制项比较多时，就需要制定比较复杂的协议了，一般的串口控制协议如下图所示，n等于8时，发送10个byte，为了提高准确率，需要加入包头、包尾和校验字。