基于嵌入式NiosⅡ软核的串口直接读写寄存器方式编程

O 引言
    Altera公司的FPGA作为全定制芯片的一个代表正在得到日益广泛的应用。为了用户使用方便，Altera公司推出嵌入式软核NiosⅡ可以便利地使用工具生成并放人FPGA芯片中。NiosⅡ软核可以在用户的系统中处理一些诸如人机接口界面、内部时序逻辑控制、外部设备初始化等工作。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，在嵌入式系统中依然扮演着十分重要的角色。所以Altera才把UART作为一个连接Nios／NiosⅡ与其相关外设的IP放在SoPC Builder里面供用户使用。Nios一代调试甚至直接用串口。
    NiosⅡ处理器是Intel公司为Altera公司推出的一个32位精简指令处理器软核。在Altera公司推出的软件SoPC中加载NiosⅡ软核和相应的外围接口以及与定义相应的自定义指令，然后对设计进行综合，下载到FPGA中就可以方便地实现一个具有高速DSP功能的嵌入式处理器。
    NiosⅡ处理器的软件开发是建立在ANSI C基础上的。NiosⅡIDE是NiosⅡ系列嵌入式处理器的主要软件开发工具。用户可以在NiosⅡIDE中完成所有的软件开发任务，如编辑、编译、下载、调试和闪存编程。NiosⅡ嵌入式系统的一个重要问题就是软件代码量的大小，这关系到存放代码的存储器件容量大小，因此控制和减小程序代码量是降低系统成本的重要方法，必须首先从处理器的启动顺序开始研究。

1 串口C语言方式编程
    使用该方法要加上下面语句：

    执行上面程序可以得到串口输出结果。
    如果不调用alt_main()函数，则系统默认运行步骤如下：
    (1)调用alt_os_int()函数来执行任何操作系统所特有的初始化。如果HAL是在操作系统里运行的，那么初始化alt_fd_list_lock命令。它可以控制访问HAL文件系统，初始化中断控制器并执行中断。
    (2)调用alt_sys_init()函数，以初始化系统里所有的驱动装置和软件组成部分。
    (3)重新设置C标准I／O通道(stdin，stdout，stderr)，以使用合适的器件。
    (4)调用main()。
    (5)调用exit()。main()的返回代码作为exit()的输入。
    该方式使用串口比较简单，但是占用的存储资源比较大，编译时间也较长。

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2 串口直接读写寄存器方式编程
2．1 串口初始化
    NiosⅡ的串口编程有多种方式，比较多的是采用标准C语言写法，占用程序空间比较大。NiosⅡ处理器的启动可采用2种方式：自动初始化和用户自定义初始化。ANSI C标准定义应用程序可以通过调用main()来开始执行。在调用main()之前，应用程序假定运行环境和所有的服务系统都被初始化并准备运行。初始化可以被硬件抽象层(HAL)系统库自动执行。程序员不需要考虑系统的输出设备以及如何初始化每一个外设，HAL会自动初始化整个系统。
    另外，ANSI C标准也提供了一个可变的入口点程序，以避免自动初始化。ANSI C标准还定义程序员能手动初始化任何所用的硬件。alt_ main()函数提供了一个独立式的编程环境，能够完全控制系统的初始化。独立式编程环境可以使程序员手动编写初始化系统的代码。
    HAL提供的系统初始化代码按以下启动顺序运行：
    (1)启动指令和数据高速缓冲存储器；
    (2)配置堆栈；
    (3)配置全局指针；
    (4)通过链接器提供的_bss_start和_bss_end来零初始化BSS层，_bss_start和_bss_end是开始和结束BSS的命令；
    (5)如果当前系统没有启动下载器，就复制.rwdata，．rodata或者剩下的部分到RAM；
    (6)调用alt_main()。
    在NiosⅡIDE工程中，只需简单定义alt_main()就可以实现用户的启动顺序，而且能够选择HAL的服务程序。如果应用程序需要一个alt_ main()入口点程序，可以复制默认的执行作为开始点，根据要求来定制它。

    使用独立式编程环境会增加NiosⅡ程序编写的复杂性。独立式编程环境的主要作用在于减小代码量，但要使用这种方法，需要对NiosⅡ处理器的外设和驱动编写都非常熟悉才行。在NiosⅡIDE中也可以通过某些选项来减小HAL系统库容量，从而达到减小代码量的目的，比使用独立式编程环境容易得多。
    串口部分程序初始化代码如下：
    //串口中断初始化  

2．2 串口收发通信程序
    串口的收发可采用查询和中断方式，中断方式要更好一些。
    查询方式发送子程序代码如下：


    查询方式接收子程序代码如下：

    因为串口的中断号是惟一的，所以中断方式接收发送只能在一个中断函数内。中断方式接收发送子程序代码如下：

    该中断处理程序可进行中断方式接收发送，如果程序需要进行精确的接收发送，还需加上中断程序和主程序的相互控制变量。
2．3 串口通信调试
    在Nios中调试“Hello world!”范例的时候往往会出现这样的错误：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，或者可以说是串口侦听器。但实际上NIOS IDE中已经集成了串口调试工具，或者串口侦听器。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 IDE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USB_BLASTER将数据下载到板子后，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。

3 结果与讨论
    为证明以上程序的可运用性，特别制作了电路来验证，芯片使用EP3C40，PC端使用串口调试助手，波特率为19 200 b／s，8位数据位，1位停止位，无校验位。实验结果如图2所示。

    经实验证明，该方法简单可靠，可以生成比较小的代码。

4 结语
    本文讨论了嵌入式软核NiosⅡ中串口模块的编程方法，给出了串口模块编程的示例代码，经实际运用，效果良好，具有一定的参考意义。