UART寄存器介紹與中斷操作詳解

簡介

UART核提供了一個Avalon存儲器映射（Avalon-MM）的接口，這個接口使得Avalon-MM的主要周邊設(shè)備（例如Nios II處理器）通過讀和寫數(shù)據(jù)、控制寄存器，就能實現(xiàn)和UART核通信的任務。所以在簡介部分，我們會對常用的寄存器進行詳細的介紹。

上圖為一個典型系統(tǒng)中的UART核，它有兩個用戶可見的部分：

l可通過Avalon-MM從接口訪問的寄存器

lRXD, TXD, CTS, and RTS等RS-232接口信號

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，我們是通過讀、寫相關(guān)的寄存器，實現(xiàn)的串口通信功能。那么接下來，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（中斷請求）相關(guān)。

寄存器相關(guān)簡介

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，括號部分的注釋內(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。如果它們不存在，讀出的值為0。且如果對它們進行寫操作，則沒有意義。

（2）給status（狀態(tài)）寄存器寫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。如果寄存器不存在，對它進行讀操作會返回未定義的值，且進行寫操作則無意義。

rxdata寄存器

rxdata寄存器用于存儲RXD輸入引腳接收的數(shù)據(jù)。當一個新的數(shù)據(jù)被RXD輸入引腳完全接受后，會被傳輸并存儲到rxdata寄存器，此時status寄存器（狀態(tài)寄存器）的rrdy位會被置1。當rxdata寄存器中的值被讀了之后，status寄存器中的rrdy位會被清零。當rrdy位為1時，又有一個新的字符傳輸給rxdata寄存器，則會產(chǎn)生溢出錯誤，狀態(tài)寄存器的ROE位被置1。不管前一個字符是否被讀出，新接收到的字符總是會被自動保存到rxdata寄存器。另外，對rxdata寄存器進行寫操作無意義。

txdata寄存器

Avalon主控制器把要發(fā)送的字符寫入到txdata寄存器中。當一個字符寫入txdata寄存時，狀態(tài)寄存器（status寄存器）的TRDY位會被置0；當字符從txdata寄存器傳輸?shù)桨l(fā)送移位寄存器時，狀態(tài)寄存器（status寄存器）的TRDY位被置為1。當TRDY位為0時，將字符寫入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UART核狀態(tài)情況的獨立位組成。每個狀態(tài)位和對應的控制寄存器中，能使能中斷的位相聯(lián)系。任何時候都可以讀取狀態(tài)寄存器。且讀操作不會改變寄存器任何位的值。給狀態(tài)寄存器寫0，會清零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）

控制寄存器由獨立的各個位構(gòu)成，每個位控制UART核操作的一個方面。我們在任何時間都可以讀控制寄存器。每一個控制寄存器中與狀態(tài)寄存器對應的位，都可以使能一個IRQ。當控制寄存器中與狀態(tài)寄存器對應的位的值都為1時，就會觸發(fā)一個IRQ。

divisor寄存器（可選）

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

波特率=（時鐘頻率）/（divisor+1）

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

endofpacket寄存器（可選）

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

中斷操作

UART核輸出一個單獨的IRQ信號給Avalon-MM接口。而Avalon-MM接口能連到系統(tǒng)中的任意一個主設(shè)備，例如Nios II處理器。主設(shè)備在對status寄存器進行讀操作之后，才能確定中斷產(chǎn)生的原因。每一個中斷在status寄存器有相應的位，并在control寄存器中有一個使能位。當一個中斷發(fā)生時，相關(guān)的status位置1，直到它被回應了（acknowledged）。當任意一個status位置1，且相應的中斷使能位是1時觸發(fā)IRQ。一個主設(shè)備可以通過清零status寄存器來回應（acknowledge）IRQ。復位的時候，所有的中斷使能位置0。因此，核無法觸發(fā)IRQ，直到主設(shè)備使一個或多個中斷使能位置1。

這里總結(jié)一下：一個可以觸發(fā)的中斷與它相應的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）這兩個可以設(shè)置的部分。

1.Parity（奇偶校驗）

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

2.Data bits（數(shù)據(jù)位）

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

3. Stop bits（停止位）

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

4. Synchronizer Stages

這個設(shè)置與寄存器的長度以及亞穩(wěn)態(tài)事件相關(guān)，這里一般使用默認設(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)核可實現(xiàn)RS-232標準中的任意波特率。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)生成時被確定，且不能通過Avalon從控制器端口改變它的值。

l可變的波特率——基于divisor寄存器中存儲的時鐘分頻值，波特率是可變的。主控制器通過向divisor寄存器中寫入新值來改變波特率。

波特率的計算依賴于Avalon-MM接口提供的時鐘頻率。在硬件改變系統(tǒng)時鐘頻率，卻沒有重新生成UART核會導致錯誤的信號。

Baud Rate設(shè)置決定了復位后的波特率。Baud Rate選項提供了標準的預設(shè)值。也允許用戶輸入任何非標準波特率。為了實現(xiàn)所需要的波特率，通常根據(jù)波特率計算時鐘分頻系數(shù)。

波特率與分頻系數(shù)的關(guān)系如下：

除數(shù)=int（（時鐘頻率）/（波特率）+ 0.5）

波特率=（時鐘頻率）/（除數(shù)+ 1）

當選擇Fixed baud rate 時，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)生成后無法改變。這種情況下向地址偏移值4的地方寫數(shù)據(jù)無作用，且讀地址偏移值4的地址返回未定義的結(jié)果。當不選擇Fixed baud rate 時，硬件中會在地址偏移值4生成一個16 位的divisor寄存器。divisor寄存器是可寫的，所以可以通過向分頻寄存器寫入新值來改變波特率。