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简介
这一节，我们来说说RS232，俗称串口。大家对这东西应该很了解，没什么可说的。相对前面我们讲的内容，这一节比较复杂，我会尽力把它讲清楚。在这一节中，我不仅要给大家讲解如何去实现RS232功能，更重要的是要提出一种编程思想，如何让程序编写的更严谨，更专业，更有利于以后的维护和移植。
硬件开发
首先，我们要在NIOS II 软核中构建RS232模块。打开Quartus软件，双击进入SOPC BUILDER，然后点击下图所示红圈处，
点击后，如下图所示，红圈1处为波特率，我们设置为115200；红圈2处是是否允许通过软件改变波特率，我们选中，便是允许，这样我们就可以通过软件来随时更改波特率，如果软件不设置，默认值就是上面设置的115200；红框3中是设置一些与串口有关的参数，校验方式，数据位，停止位，后面那个基本不用，大家根据实际情况来修改。设置好以后，点击Next，Finish，完成构建。
构建好以后，将其更名为RS232，然后进行自动分配地址，自动分配中断号。一切就绪，点击General，进行编译。
编译好以后，退出，进入Quartus界面，给其分配引脚，如下图所示
然后运行TCL脚本，编译，等待……
编译好以后，大家可以选择自己的方式将程序下载到FPGA中，AS或JTAG都可以。
软件开发
打开NIOS II 9.0 IDE后，按快捷键Ctrl+b编译程序，等待编译……
编译好以后，我们再来看system.h文件。可以看到rs232部分的代码了，如下表所示，红圈处就是我们要用到的部分，大家已经熟悉了，一个是基地址，一个是中断号
/* * RS232 configuration * */ #define RS232_NAME "/dev/RS232" #define RS232_TYPE "altera_avalon_uart" #define RS232_BASE 0x00201000 #define RS232_SPAN 32 #define RS232_IRQ 2 #define RS232_BAUD 115200 #define RS232_DATA_BITS 8 #define RS232_FIXED_BAUD 0 #define RS232_PARITY 'N' #define RS232_STOP_BITS 1 #define RS232_SYNC_REG_DEPTH 2 #define RS232_USE_CTS_RTS 0 #define RS232_USE_EOP_REGISTER 0 #define RS232_SIM_TRUE_BAUD 0 #define RS232_SIM_CHAR_STREAM "" #define RS232_FREQ 100000000 #define ALT_MODULE_CLASS_RS232 altera_avalon_uart
下面，我们开始编写软件程序，首先是修改sopc.h。如下表格所示
typedef struct
{
//接收寄存器
union{
struct{
volatile unsigned long int RECEIVE_DATA :8;
volatile unsigned long int NC :24;
}BITS;
volatile unsigned long int WORD;
}RXDATA;
//发送寄存器
union{
struct{
volatile unsigned long int TRANSMIT_DATA :8;
volatile unsigned long int NC :24;
}BITS;
volatile unsigned long int WORD;
}TXDATA;
//状态寄存器
union{
struct{
volatile unsigned long int PE :1;
volatile unsigned long int FE :1;
volatile unsigned long int BRK :1;
volatile unsigned long int ROE :1;
volatile unsigned long int TOE :1;
volatile unsigned long int TMT :1;
volatile unsigned long int TRDY :1;
volatile unsigned long int RRDY :1;
volatile unsigned long int E :1;
volatile unsigned long int NC :1;
volatile unsigned long int DCTS :1;
volatile unsigned long int CTS :1;
volatile unsigned long int EOP :1;
volatile unsigned long int NC1 :19;
} BITS;
volatile unsigned long int WORD;
}STATUS;
//控制寄存器
union{
struct{
volatile unsigned long int IPE :1;
volatile unsigned long int IFE :1;
volatile unsigned long int IBRK :1;
volatile unsigned long int IROE :1;
volatile unsigned long int ITOE :1;
volatile unsigned long int ITMT :1;
volatile unsigned long int ITRDY :1;
volatile unsigned long int IRRDY :1;
volatile unsigned long int IE :1;
volatile unsigned long int TRBK :1;
volatile unsigned long int IDCTS :1;
volatile unsigned long int RTS :1;
volatile unsigned long int IEOP :1;
volatile unsigned long int NC :19;
}BITS;
volatile unsigned long int WORD;
}CONTROL;
//波特率分频器
union{
struct{
volatile unsigned long int BAUD_RATE_DIVISOR :16;
volatile unsigned long int NC :16;
}BITS;
volatile unsigned int WORD;
}DIVISOR;
}UART_STR;
这个结构体中包括5个共用体，这5个共用体对应RS232的5个寄存器，我们来看看这5个寄存器，下图所示，这个图来自《n2cpu_Embedded Peripherals.pdf》的第6-11页
这个图中的（1）有一个说明，就是说第7，8位根据设置的数据位有所改变，我们设置数据位8位，所以7，8位与前6为性质相同。
与之前讲的PIO的结构体类似，这个结构体的内容是按上图的寄存器顺序来定义的，（因为endofpacket没用到，所以在结构中没有定义）这样在操作过程中就可以实现相应的偏移量（offset）。
在这个结构体中，我们嵌套了5个共有体，在共用体中，我们又使用了结构体和位域。头一次看的一定很头晕。其实，我们这样做的目的就是想对寄存器的每一位进行单独的控制，同时也可以实现这个寄存器的整体控制。具体应用，我们在下面的程序中会应用到。
有了上面来的结构体以后，我们需要定义一个宏，跟PIO的类似。
#define _UART #ifdef _UART #define UART ((UART_STR *) RS232_BASE) #endif
不用解释了吧，在PIO部分已经解释过了，应该没什么问题了吧。
接下来，我们要在inc下建立uart.h文件，如下图所示
建好以后，对uart.h进行编写，如下表所示
/*
* =================================================================
* Filename: uart.h
* Description: The head of uart device driver
* Version:
* Created:
* Revision: none
* Compiler: Nios II IDE
*
* Author: AVIC
* Company: 金沙滩工作室
* ================================================================
*/
#ifndef UART_H_
#define UART_H_
#include "../inc/sopc.h"
#define BUFFER_SIZE 200
/*----------------------------------------------------------------
* Define
*---------------------------------------------------------------*/
typedef struct{
unsigned char mode_flag; //xmodem 1;uart 0;
unsigned int receive_flag;
unsigned int receive_count;
unsigned char receive_buffer[BUFFER_SIZE];
int (* send_byte)(unsigned char data);
void (* send_string)(unsigned int len, unsigned char *str);
int (* init)(void);
unsigned int (* baudrate)(unsigned int baudrate);
}UART_T;
extern UART_T uart;
#endif /*UART_H_*/
在上面的代码中，结构体UART_T很重要，它是模拟面向对象的一种编程思想，也是我之前说的一种很重要的编程方式。我们将与UART有关系的所有函数、变量都打包在一起，对其他函数来说，它们只能看到uart这个结构体，而里面的单独部分都是不可见的。希望大家可以好好体会其中的思想，对大家的编程一定会有很大的好处。
下面，我们要开始写RS232的驱动了，首先我们要在driver下面建立一个.c文件，命名为uart.c，如下图所示
建好以后，我们来编写uart.c文件，如下表所示
/*
* =================================================================
* Filename: uart.c
*
* Description: RS232 device driver
*
* Version:
* Created:
* Revision: none
* Compiler: Nios II IDE
*
* Author: AVIC
* Company: 金沙滩工作室
* ===============================================================
*/
/*--------------------------------------------------------------
* Include
*-------------------------------------------------------------*/
#include "sys/alt_irq.h"
#include "../inc/sopc.h"
#include <stdlib.h>
#include <stdio.h>
#include "../inc/uart.h"
/*--------------------------------------------------------------
* Function Prototype
*--------------------------------------------------------------*/
static int uart_send_byte(unsigned char data);
static void uart_send_string(unsigned int len, unsigned char *str);
static int uart_init(void);
static void uart_ISR(void);
static int set_baudrate(unsigned int baudrate);
//初始化uart结构体，大家注意结构体的初始化方式
UART_T uart={
.mode_flag=0,
.receive_flag=0,
.receive_count=0,
.send_byte=uart_send_byte,
.send_string=uart_send_string,
.init=uart_init,
.baudrate=set_baudrate
};
/*
* === FUNCTION ==================================================
* Name: uart_send_byte
* Description: 发送一个字节数据
* ================================================================
*/
static int uart_send_byte(unsigned char data)
{
//将接收到的数据放到接收数据寄存器内，等待状态寄存器trdy置1，当trdy置1，说明接收完毕
UART->TXDATA.BITS.TRANSMIT_DATA = data;
while(!UART->STATUS.BITS.TRDY);
return 0;
}
/*
* === FUNCTION =================================================
* Name: uart_send_string
* Description: 发送字符串数据
* ===============================================================
*/
static void uart_send_string(unsigned int len, unsigned char *str)
{
while(len--)
{
uart_send_byte(*str++);
}
}
/*
* === FUNCTION =================================================================
* Name: uart_init
* Description: 初始化程序
* ==============================================================
*/
static int uart_init(void)
{
//设置波特率为115200
set_baudrate(115200);
// 对控制寄存器的irrdy进行置1，表示当接收准备好后，中断使能
UART->CONTROL.BITS.IRRDY=1;
//清楚状态寄存器，这就是处理整个寄存器的方式，大家要注意
UART->STATUS.WORD=0;
//注册uart中断，ISR为uart_ISR
alt_irq_register(RS232_IRQ, NULL, uart_ISR);
return 0;
}
/*
* === FUNCTION ================================================
* Name: uart_ISR
* Description: 串口中断
* ==============================================================
*/
static void uart_ISR(void)
{
//等待状态寄存器的接收数据状态位rrdy，当rrdy位为1时，说明新接收的值传输到了接收数据寄存器
while(!(UART->STATUS.BITS.RRDY));
//reveive_buffer为我们通过栈的方式在内存中开设的内存块，将接受数据寄存器中的数据到这个内存块中
uart.receive_buffer[uart.receive_count++] = UART->RXDATA.BITS.RECEIVE_DATA;
//当接收数据的最后一位为\n（回车符）时，进入if语句，也就是说，\n作为了结束标志符，每次发送数据后，要加一个回车符作为结束符
if(uart.receive_buffer[uart.receive_count-1]=='\n'){
uart.receive_buffer[uart.receive_count]='\0';
uart_send_string(uart.receive_count,uart.receive_buffer);
uart.receive_count=0;
uart.receive_flag=1;
}
}
/*
* === FUNCTION ===============================================
* Name: set_baudrate
* Description: 设置波特率
* ==============================================================
*/
static int set_baudrate(unsigned int baudrate)
{
//设置波特率有一个公式的，波特率=时钟频率/(divisor+1),转换以后就是下面了。
UART->DIVISOR.WORD=(unsigned int)(ALT_CPU_FREQ/baudrate+0.5);
return 0;
}
编写好上面的函数以后，我们要修改main.c，如下表所示
#include "../inc/sopc.h"
#include "system.h"
#include "sys/alt_irq.h"
#include <unistd.h>
#include <stdio.h>
#include "../inc/uart.h"
int main()
{
unsigned char buffer[50]="Hello FPGA!\n";
//初始化串口，注意它的使用方法
uart.init();
//循环发送字符串
while(1){
uart.send_string(sizeof(buffer),buffer);
usleep(500000);
}
return 0;
}
今天就讲到这，上面的讲解方式不知道大家觉得是否合适，如果有什么问题，请给我留言。