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[米联客-XILINX-H3_CZ08_7100] FPGA_SDK入门篇连载-10PS UART 中断接收实验

文档创建者:FPGA课程
浏览次数:221
最后更新:2024-09-25
文档课程分类-AMD-ZYNQ
AMD-ZYNQ: ZYNQ-SOC » 1_SDK应用方案(仅旗舰型号) » 1-SDK基础入门方案
本帖最后由 FPGA课程 于 2024-9-25 17:31 编辑

软件版本:VIVADO2021.1
操作系统:WIN10 64bit
硬件平台:适用 XILINX A7/K7/Z7/ZU/KU 系列 FPGA
实验平台:米联客-MLK-H3-CZ08-7100开发板
板卡获取平台:https://milianke.tmall.com/
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1概述
串口自诞生以来由于其简单可靠的传输方式,被大量使用,对于现在这个充满高速通信设备的时代来说,串口依然不过时。老早以前的台式机和笔记本可都是有串口的,虽然现在很多台式机串口没有了,笔记本也没有串口了,但是串口从来没有被丢弃,只是以另外一种形式存在,这就是USB转串口芯片。串口只需要2根线就可以实现一收一发,使用简单,可靠方便,在低速场合大量使用。比如一些工控的人机界面、我们用的一些单片机的USB下载器都是用USB转串口来实现的。
实验目的:
1:熟悉UART串口通信协议,包括数据格式、波特率、起始位、停止位、奇偶校验位等
2:熟悉ZYNQ的UART串口的功能单元以及寄存器功能
3:使用vitis-sdk实现串口的中断接收,并且环路发出
2系统框图
ddb597a99f2c40ceaf06e88fca46f6f5.jpg
3UART串口通信协议介绍
我们先了解串口通信协议。通常串口的一次发送或接收由四个部分组成:起始位S(“一般为逻辑‘0’)、数据位D0~D7(一般为6位~8位之间可变,数据低位在前)、校验位(奇校验、偶检验或不需要校验位)、停止位(通常为1位、1.5位、2位)。停止位必须为逻辑1。在一次串口通信过程中,数据接收与发送双方没有共享时钟,因此,双方必须协商好数据传输波特率。波特率即数据传输速率。根据双方协议好的传输速率,接收端即可对发送端的数据进行采样。常见的波特率标准为300bps,600bps,800bps,9600bps,19200bps,38400bps,115200bps等。当然更块的速度意味着对采样的要求更高,有可能误码率会逐渐提高。
通常对串口进行数据采样,采用更高频的时钟。这样做的目的是采用高频时钟来锁存低频时钟,减少数据的误码率,增加接收模块的自纠错能力。
具体的工作流程为:
发送端按照预先设定好的波特率,发送起始位(Start)+数据位(data)+奇偶校验位+结束位。其中,起始位为逻辑0,结束位为逻辑1,发送端在空闲状态为1。发送数据包格式如下图所示。
e5a82f8f5b2346e88f90581c92506b64.jpg
数据的奇偶校验位是可以选择的,如果不使用奇偶,那么就没有这个数据位,我们本课程中没有用到奇偶校验位。
接收端通过检测电平‘1’到‘0’的跳变来确定一个数据包的开始。确定开始位接收完成之后,依次接收数据,使用更高的采样时钟,完成数据采集。接收完数据位后,继续接收奇偶校验位和停止位。
ZYNQ的UART控制器可以完成发送数据的编码和接收数据的界面,关于更多UART的硬件知识可以阅读以下ZYNQ UART串口部分介绍。
4ZYNQ UART串口控制介绍
4.1UART控制器概述
cad859f9fadc4a659c38198cc193be28.jpg
ZYNQ的UART控制器支持全双工异步收发,支持多种可编程波特率和I/O信号格式支持自动奇偶校验和多主机检测模式。
通过配置和模式寄存器控制UART,通过读取FIFO状态寄存器、中断状态寄存器、调制解调状态寄存器、其他功能状态寄存器获取UART的工作状态。
UART的TX和RX路径是异步独立的,TX路径和RX路径各有一个64字节的FIFO。控制寄存器可以对UART中的TX和RX FIFO数据序列化和反序列化,另外还包含一个模式开关可以设置TX到RX的环路设置。
在类似调制解调器的应用中使用UART时,调制解调器控制模块会检测并生成调制解调器握手信号,并根据握手协议控制接收器和发送器路径。
4.2UART控制器特性
•具有可编程波特率发生器
•具有可配置的接收和发送FIFO,具有字节,两个字节或四个字节的APB访问机制
•支持6、7或8个数据位
•支持1、1.5或2个停止位
•支持奇数,偶数,空格,标记或无奇偶校验
•支持奇偶校验,成帧和溢出错误检测
•具有断行的生成和检测
•支持自动回显,本地环回和远程环回通道模式
•支持中断产生
•具有调制解调器控制信号:CTS,RTS,DSR,DTR,RI和DCD
•UART有两个时钟:高级外围总线(APB)的时钟频率高达100 MHz。 uart_ref_clock的范围是1 MHz至100 MHz。
4.3UART控制器功能描述
1:UART控制器框图
ab0df0341c264f5080ef94ae802aecf0.jpg
2:波特率发生器
eb1550e776724bd9a617f3b268e63af8.jpg
UART的sel_clk时钟:
该时钟为UART_REF_CLKk或者UART_REF_CLK/8

波特率采样时钟使能baud_sample:
baud_sample=sel_clk/CD

波特率baud_rate:
baud_rate = baud_sample/ (BDIV + 1)

CD的值范围为1~65535,BDIV的值范围为4~255
以下给出了UG585中常用波特率的计算参数
5e1ce2e1bf714f6388d42e4160cfe708.jpg
3:TX发送FIFO
软件需要发送的数据首先会填入到TX的FIFO。
4:TX发送串行发送模块
发送模块从TxFIFO中移除数据,并将其加载到发送器移位寄存器中,以便可以对其进行串行化。发送模块将起始位,数据位,奇偶校验位和停止位移出为串行数据流。在发送波特率时钟使能(baud_tx_rate)的下降沿发送数据,最低有效位在前。
下图中的数据包含了PA奇偶校验位,很多情况下没有这位数据,那么数据就是一共需要10个发送时钟。
2317500521d241b9ba883e92e17d6c30.jpg
5:RX接收FIFO
当RX串行接收模块接收到数据后,数据移入RX接收FIFO。
6:RX串行接收模块
UART使用UART_REF_CLK和时钟使能(baud_sample)连续对UARTx_RxD信号进行过采样。当在中间位置连续监测到3次低电平代表收到RX的起始位。如下所示,采样速度是16倍的波特率。
e38330a3abe74b71ab38022b01b5fc15.jpg
当检测到有效的起始位时,接收器波特率时钟使能(baud_rx_rate)将重新同步,以便在每个位的理论中点附近对输入的UART RxD信号进行进一步采样。
9e99375ac76c47bcbe7a24bf6166d6fe.jpg
7:I/O模式切换
模式开关控制控制器内RxD和TxD信号的路由,共有四种工作模式如下图所示,除非只是测试UART软件代码,否则我们都是使用普通模式。
8925ee9027284c2fa18a370f23f30e6c.jpg
8:UART中断与状态控制器
UART的中断和状态控制器在下面的寄存器介绍中介绍
9:UART调制解调器控制
这部分功能我们不涉及。
XUARTPS_CR寄存器XUARTPS_CR_OFFSET (0x00U)
                        
Field Name
                        
                        
Bits
                        
                        
Type
                        
                        
Reset Value
                        
                        
Description
                        
                        
Reserved
                        
                        
31~9bit
                        
                        
RW
                        
                        
0x0
                        
                        
保留,读0写无效
                        
                        
暂停并发送停止位(STOPBRK)
                        
                        
8
                        
                        
RW
                        
                        
0x0
                        
                        
1-当传输一个字节后,设置该位产生停止位,输出12bit的高电平。
                        
0-无影响
                        
                        
暂停并发送起始位(STARTBRK)
                        
                        
7
                        
                        
                        
RW
                        
                        
0x0
                        
                        
1-当FIFO中已经填入需要发送的数据,并且TX发送移位寄存器已经传输完毕,启动发送起始位。必须在STOPBRK=0的情况下有效。
                        
0-无影响
                        
                        
6bit:重启接收超时计数器(TORST)
                        
                        
6
                        
                        
RW
                        
                        
0x0
                        
                        
1-使能接收超时计数
                        
0-无影响
                        
                        
5bit:禁止发送(TX_DIS)
                        
                        
                        
5
                        
                        
RW
                        
                        
0x0
                        
                        
1-禁止发送
                        
0-使能
                        
                        
使能发送(TX_EN)
                        
                        
4
                        
                        
RW
                        
                        
0x0
                        
                        
4bit:
                        
1-使能发送,需要确保TX_DIS=0
                        
0-禁止发送
                        
                        
禁止接收(RX_DIS)
                        
                        
                        
3
                        
                        
RW
                        
                        
0x0
                        
                        
1-禁止接收,不管RXEN的值
                        
0-使能
                        
                        
使能接收(RX_EN)
                        
                        
                        
2
                        
                        
RW
                        
                        
0x0
                        
                        
使能接收,RX_DIS=0有效
                        
0-禁止接收
                        
                        
软件复位(TXRST)
                        
                        
                        
1
                        
                        
RW
                        
                        
0x0
                        
                        
1-复位发送逻辑,复位完成后自动清零
                        
0-无影响
                        
                        
软件复位(RXRST)
                        
                        
0
                        
                        
RW
                        
                        
0x0
                        
                        
1-复位接收逻辑,复位完成后自动清零
                        
0-无影响
                        

XUARTPS_MR寄存器XUARTPS_MR_OFFSET (0x04U)
                        
Field Name
                        
                        
Bits
                        
                        
Type
                        
                        
Reset Value
                        
                        
Description
                        
                        
保留(只读)
                        
                        
31:14
                        
                        
RO
                        
                        
0x0
                        
                        
保留(只读)
                        
                        
从APB配置FIFO访问的大小(WSIZE
                        
)
                        
                        
                        
13:12
                        
                        
RW
                        
                        
0x0
                        
                        
00-一个或两个字节写入TX FIFO 或从 RX FIFO 读取。如果 byte_sel为高,则写入或读取一个字节,如果 byte_sel为低,则写入或读取两个字节(默认传统模式)
                        
01-始终从FIFO写入或读取一个字节,无论 byte_sel是否处于活动状态
                        
10-无论byte_sel是否有效,总是从FIFO写入或读取两个字节
                        
11-无论 byte_sel为何,总是从FIFO写入或读取四个字节(假设配置的APB宽度支持四个字节)
                        
                        
通道模式(CHMODE)
                        
                        
9:8
                        
                        
RW
                        
                        
0x0
                        
                        
00-正常模式
                        
01-echo模式
                        
10-本地环路
                        
11-远程环回
                        
                        
停止位(NBSTOP)
                        
                        
                        
7:6
                        
                        
RW
                        
                        
0x0
                        
                        
00-1bit停止位
                        
01-1.5bit停止位
                        
10-2个停止位
                        
11-保留
                        
                        
奇偶校验位(PAR)
                        
                        
5:3
                        
                        
RW
                        
                        
0x0
                        
                        
000-偶校验
                        
001-奇校验
                        
010-奇偶校验强制为0
                        
011-奇偶校验强制为1
                        
1xx-无校验
                        
                        
字符长度(CHRL)
                        
                        
2:1
                        
                        
RW
                        
                        
0x0
                        
                        
11-6bits
                        
10-7bits
                        
0x-8bits
                        
                        
时钟源选择(CLKSEL)
                        
                        
0
                        
                        
RW
                        
                        
0x0
                        
                        
0-uart_ref_clk
                        
1-uart_ref_clk/8
                        

XUARTPS_IER寄存器XUARTPS_IER_OFFSET (0x08U)
中断使能寄存器,设置1使能相关中断
                        
Field Name
                        
                        
Bits
                        
                        
Type
                        
                        
Reset Value
                        
                        
Description
                        
                        
保留(只读)
                        
                        
31:14
                        
                        
WO
                        
                        
0x0
                        
                        
保留(只读)
                        
                        
PBRK
                        
                        
13
                        
                        
WO
                        
                        
0x0
                        
                        
接收器中断检测中断使能(清除掩码 = 0)
                        
                        
TOVR
                        
                        
12
                        
                        
WO
                        
                        
0x0
                        
                        
FIFO溢出中断使能
                        
                        
TNFUL
                        
                        
11
                        
                        
WO
                        
                        
0x0
                        
                        
FIFO将满中断使能
                        
                        
TTRIG
                        
                        
10
                        
                        
WO
                        
                        
0x0
                        
                        
FIFO发送器FIFO出发中断使能
                        
                        
DMSI
                        
                        
9
                        
                        
WO
                        
                        
0x0
                        
                        
Delta调制解调器状态指示器中断使能
                        
                        
TIMEOUT
                        
                        
8
                        
                        
WO
                        
                        
0x0
                        
                        
接收超时错误中断使能
                        
                        
PARE
                        
                        
7
                        
                        
WO
                        
                        
0x0
                        
                        
接收奇偶校验错误中断使能
                        
                        
FRAME
                        
                        
6
                        
                        
WO
                        
                        
0x0
                        
                        
接收帧错误中断使能
                        
                        
ROVER
                        
                        
5
                        
                        
WO
                        
                        
0x0
                        
                        
接收溢出中断使能
                        
                        
TFUL
                        
                        
4
                        
                        
WO
                        
                        
0x0
                        
                        
发送FIFO满中断使能
                        
                        
TEMPTY
                        
                        
3
                        
                        
WO
                        
                        
0x0
                        
                        
发送FIFO空中断使能
                        
                        
RFUL
                        
                        
2
                        
                        
WO
                        
                        
0x0
                        
                        
接收FIFO满中断使能
                        
                        
REMPTY
                        
                        
1
                        
                        
WO
                        
                        
0x0
                        
                        
接收FIFO空中断使能
                        
                        
ROVR
                        
                        
0
                        
                        
WO
                        
                        
0x0
                        
                        
接收FIFO中断触发使能
                        

XUARTPS_IDR寄存器XUARTPS_IDR_OFFSET (0x0CU)
中断禁用寄存器,设置1禁用相关中断
                        
Field Name
                        
                        
Bits
                        
                        
Type
                        
                        
Reset Value
                        
                        
Description
                        
                        
保留(只读)
                        
                        
31:14
                        
                        
WO
                        
                        
0x0
                        
                        
保留(只读)
                        
                        
PBRK
                        
                        
13
                        
                        
WO
                        
                        
0x0
                        
                        
接收器中断检测中断禁用
                        
                        
TOVR
                        
                        
12
                        
                        
WO
                        
                        
0x0
                        
                        
FIFO溢出中断禁用
                        
                        
TNFUL
                        
                        
11
                        
                        
WO
                        
                        
0x0
                        
                        
FIFO将满中断禁用
                        
                        
TTRIG
                        
                        
10
                        
                        
WO
                        
                        
0x0
                        
                        
FIFO发送器FIFO出发中断禁用
                        
                        
DMSI
                        
                        
9
                        
                        
WO
                        
                        
0x0
                        
                        
Delta调制解调器状态指示器中断禁用
                        
                        
TIMEOUT
                        
                        
8
                        
                        
WO
                        
                        
0x0
                        
                        
接收超时错误中断禁用
                        
                        
PARE
                        
                        
7
                        
                        
WO
                        
                        
0x0
                        
                        
接收奇偶校验错误中断禁用
                        
                        
FRAME
                        
                        
6
                        
                        
WO
                        
                        
0x0
                        
                        
接收帧错误中断禁用
                        
                        
ROVER
                        
                        
5
                        
                        
WO
                        
                        
0x0
                        
                        
接收溢出中断禁用
                        
                        
TFUL
                        
                        
4
                        
                        
WO
                        
                        
0x0
                        
                        
发送FIFO满中断禁用
                        
                        
TEMPTY
                        
                        
3
                        
                        
WO
                        
                        
0x0
                        
                        
发送FIFO空中断禁用
                        
                        
RFUL
                        
                        
2
                        
                        
WO
                        
                        
0x0
                        
                        
接收FIFO满中断禁用
                        
                        
REMPTY
                        
                        
1
                        
                        
WO
                        
                        
0x0
                        
                        
接收FIFO空中断禁用
                        
                        
ROVR
                        
                        
0
                        
                        
WO
                        
                        
0x0
                        
                        
接收FIFO中断触发禁用
                        

XUARTPS_IMR寄存器XUARTPS_IMR_OFFSET (0x10U)
中断掩码寄存器,是只读寄存器1代表相关中断使能,0代表相关中断禁用
                        
Field Name
                        
                        
Bits
                        
                        
Type
                        
                        
Reset Value
                        
                        
Description
                        
                        
保留(只读)
                        
                        
31:14
                        
                        
WO
                        
                        
0x0
                        
                        
保留(只读)
                        
                        
PBRK
                        
                        
13
                        
                        
WO
                        
                        
0x0
                        
                        
接收器中断检测中断掩码
                        
                        
TOVR
                        
                        
12
                        
                        
RO
                        
                        
0x0
                        
                        
FIFO溢出中断掩码
                        
                        
TNFUL
                        
                        
11
                        
                        
RO
                        
                        
0x0
                        
                        
FIFO将满中断掩码
                        
                        
TTRIG
                        
                        
10
                        
                        
RO
                        
                        
0x0
                        
                        
FIFO发送器FIFO出发中断掩码
                        
                        
DMSI
                        
                        
9
                        
                        
RO
                        
                        
0x0
                        
                        
Delta调制解调器状态指示器中断掩码
                        
                        
TIMEOUT
                        
                        
8
                        
                        
RO
                        
                        
0x0
                        
                        
接收超时错误中断掩码
                        
                        
PARE
                        
                        
7
                        
                        
RO
                        
                        
0x0
                        
                        
接收奇偶校验错误中断掩码
                        
                        
FRAME
                        
                        
6
                        
                        
RO
                        
                        
0x0
                        
                        
接收帧错误中断掩码
                        
                        
ROVER
                        
                        
5
                        
                        
RO
                        
                        
0x0
                        
                        
接收溢出中断掩码
                        
                        
TFUL
                        
                        
4
                        
                        
RO
                        
                        
0x0
                        
                        
发送FIFO满中断掩码
                        
                        
TEMPTY
                        
                        
3
                        
                        
RO
                        
                        
0x0
                        
                        
发送FIFO空中断掩码
                        
                        
RFUL
                        
                        
2
                        
                        
RO
                        
                        
0x0
                        
                        
接收FIFO满中断掩码
                        
                        
REMPTY
                        
                        
1
                        
                        
RO
                        
                        
0x0
                        
                        
接收FIFO空中断掩码
                        
                        
ROVR
                        
                        
0
                        
                        
RO
                        
                        
0x0
                        
                        
接收FIFO中断触发掩码
                        

XUARTPS_ISR寄存器XUARTPS_ISR_OFFSET (0x14U)
中断状态寄存器,1代表相关中断产生,读该位会清除中断状态
                        
Field Name
                        
                        
Bits
                        
                        
Type
                        
                        
Reset Value
                        
                        
Description
                        
                        
保留(只读)
                        
                        
31:14
                        
                        
WTC
                        
                        
0x0
                        
                        
保留(只读)
                        
                        
PBRK
                        
                        
13
                        
                        
WTC
                        
                        
0x0
                        
                        
接收器中断检测中断状态
                        
                        
TOVR
                        
                        
12
                        
                        
WTC
                        
                        
0x0
                        
                        
FIFO溢出中断状态
                        
                        
TNFUL
                        
                        
11
                        
                        
WTC
                        
                        
0x0
                        
                        
FIFO将满中断状态
                        
                        
TTRIG
                        
                        
10
                        
                        
WTC
                        
                        
0x0
                        
                        
FIFO发送器FIFO出发中断状态
                        
                        
DMSI
                        
                        
9
                        
                        
WTC
                        
                        
0x0
                        
                        
Delta调制解调器状态指示器中断状态
                        
                        
TIMEOUT
                        
                        
8
                        
                        
WTC
                        
                        
0x0
                        
                        
接收超时错误中断状态
                        
                        
PARE
                        
                        
7
                        
                        
WTC
                        
                        
0x0
                        
                        
接收奇偶校验错误中断状态
                        
                        
FRAME
                        
                        
6
                        
                        
WTC
                        
                        
0x0
                        
                        
接收帧错误中断状态
                        
                        
ROVER
                        
                        
5
                        
                        
WTC
                        
                        
0x0
                        
                        
接收溢出中断状态
                        
                        
TFUL
                        
                        
4
                        
                        
WTC
                        
                        
0x0
                        
                        
发送FIFO满中断状态
                        
                        
TEMPTY
                        
                        
3
                        
                        
WTC
                        
                        
0x0
                        
                        
发送FIFO空中断状态
                        
                        
RFUL
                        
                        
2
                        
                        
WTC
                        
                        
0x0
                        
                        
接收FIFO满中断状态
                        
                        
REMPTY
                        
                        
1
                        
                        
WTC
                        
                        
0x0
                        
                        
接收FIFO空中断状态
                        
                        
ROVR
                        
                        
0
                        
                        
WTC
                        
                        
0x0
                        
                        
接收FIFO中断触发状态
                        

XUARTPS_BAUDGEN寄存器XUARTPS_BAUDGEN_OFFSET (0x18U)
产生波特率分频时钟使能寄存器
                        
Field Name
                        
                        
Bits
                        
                        
Type
                        
                        
Reset Value
                        
                        
Description
                        
                        
保留(只读)
                        
                        
31:16
                        
                        
WR
                        
                        
0x0
                        
                        
保留(只读)
                        
                        
CD
                        
                        
15:0
                        
                        
WR
                        
                        
0x28
                        
                        
波特率时钟使能分频器
                        
0-禁止波特率采样
                        
1-Bypass (baud_sample = sel_clk)
                        
2-2~65535分频
                        

XUARTPS_RXTOUT寄存器XUARTPS_RXTOUT_OFFSET (0x1CU)
接收超时寄存器
                        
Field Name
                        
                        
Bits
                        
                        
Type
                        
                        
Reset Value
                        
                        
Description
                        
                        
保留(只读)
                        
                        
31:8
                        
                        
RO
                        
                        
0x0
                        
                        
保留(只读)
                        
                        
RTO
                        
                        
7:0
                        
                        
WR
                        
                        
0x0
                        
                        
接收超时寄存器
                        
0-禁用接收超时
                        
1~255个baud_sample 时钟周期作为超时检测
                        

XUARTPS_RXWM寄存器XUARTPS_RXTOUT_OFFSET (0x20U)
接收FIFO中断触发值寄存器
                        
Field Name
                        
                        
Bits
                        
                        
Type
                        
                        
Reset Value
                        
                        
Description
                        
                        
保留(只读)
                        
                        
31:6
                        
                        
RO
                        
                        
0x0
                        
                        
保留(只读)
                        
                        
RTRIG
                        
                        
5:0
                        
                        
WR
                        
                        
0x20
                        
                        
接收FIFO触发值
                        
0-禁用触发
                        
1~63 FIFO当FIFO已经有了相应数据产生接收触发中断
                        

XUARTPS_MODEMCR寄存器XUARTPS_MODEMCR_OFFSET (0x24U)
Modem控制寄存器该寄存器本实验不涉及不介绍

XUARTPS_MODEMSR寄存器XUARTPS_MODEMSR_OFFSET (0x28U)
Modem状态寄存器该寄存器本实验不涉及不介绍

XUARTPS_SR寄存器XUARTPS_SR_OFFSET (0x2CU)
只读通道状态寄存器,可以对 UART设计的原始未屏蔽状态信息的持续监控。
                        
Field Name
                        
                        
Bits
                        
                        
Type
                        
                        
Reset Value
                        
                        
Description
                        
                        
保留(只读)
                        
                        
31:15
                        
                        
RO
                        
                        
0x0
                        
                        
保留(只读)
                        
                        
TNFUL
                        
                        
14
                        
                        
RO
                        
                        
0x0
                        
                        
发送FIFO满连续状态(TNFUL)
                        
1-TX FIFO未使用的空间大于1
                        
0-TX FIFO就剩1个未使用空间
                        
                        
TTRIG
                        
                        
13
                        
                        
RO
                        
                        
0x0
                        
                        
发送FIFO触发连续状态(TTRIG)
                        
1-TX FIFO的数据量大于或等于触发值
                        
0-TX FIFO的数据量小于触发值
                        
                        
FDELT
                        
                        
12
                        
                        
RO
                        
                        
0x0
                        
                        
接收流延迟触发连续状态(FLOWDEL)
                        
1-RX FIFO的数据量大于或者等于FDEL
                        
0-RX FIFO的数据量小于FDEL
                        
                        
TACTIVE
                        
                        
11
                        
                        
RO
                        
                        
0x0
                        
                        
发送状态机激活(TACTIVE)
                        
1-激活
                        
0-未激活
                        
                        
RACTIVE
                        
                        
10
                        
                        
RO
                        
                        
0x0
                        
                        
接收状态机激活(RACTIVE)
                        
1-激活
                        
0-未激活
                        
                        
保留(只读)
                        
                        
9:5
                        
                        
RO
                        
                        
0x0
                        
                        
保留(只读)
                        
                        
TFUL
                        
                        
4
                        
                        
RO
                        
                        
0x0
                        
                        
发送FIFO满连续状态(TXFULL)
                        
1-TX FIFO满
                        
0-TX FIFO未满
                        
                        
TEMPTY
                        
                        
3
                        
                        
RO
                        
                        
0x0
                        
                        
发送FIFO空连续状态(TXEMPTY)
                        
1-TX FIFO空
                        
0-TX FIFO非空
                        
                        
RFUL
                        
                        
2
                        
                        
RO
                        
                        
0x0
                        
                        
接收FIFO满连续状态(RXFULL)
                        
1-RX FIFO满
                        
0-RX FIFO未满
                        
                        
REMPTY
                        
                        
1
                        
                        
RO
                        
                        
0x0
                        
                        
接收FIFO空连续状态(RXEMPTY)
                        
1-RX FIFO空
                        
0-RX FIFO非空
                        
                        
RTRIG
                        
                        
0
                        
                        
RO
                        
                        
0x0
                        
                        
接收FIFO触发连续状态(RXOVR)
                        
1-RX FIFO的数据量大于或等于触发值
                        
0-RX FIFO的数据量小于触发值
                        

XUARTPS_FIFO寄存器XUARTPS_FIFO_OFFSET (0x30U)
接收FIFO寄存器
                        
Field Name
                        
                        
Bits
                        
                        
Type
                        
                        
Reset Value
                        
                        
Description
                        
                        
保留(只读)
                        
                        
31:8
                        
                        
RO
                        
                        
0x0
                        
                        
保留(只读)
                        
                        
FIFO
                        
                        
7:0
                        
                        
WR
                        
                        
0x20
                        
                        
7~0bit:发送或者接收FIFO
                        
Baud_rate_divider_reg0寄存器Baud_rate_divider_reg0 (0x34U)
baud_sample被分频成多少产生波特率
                        
Field Name
                        
                        
Bits
                        
                        
Type
                        
                        
Reset Value
                        
                        
Description
                        
                        
保留(只读)
                        
                        
31:8
                        
                        
WR
                        
                        
0x0
                        
                        
保留(只读)
                        
                        
BDIV
                        
                        
7:0
                        
                        
WR
                        
                        
0x20
                        
                        
0~3:保留
                        
4~255:用于波特率分频
                        

Flow_delay_reg0寄存器Flow_delay_reg0 (0x38U)本实验用不到该寄存器
只有在调制解调器控制寄存器的 FCM 字段中启用了自动流控制模式时,才使用流控制延迟寄存器。 当使能自动流控制模式时,该寄存器指定EMIOUARTxRTSN输出被取消置位的接收器FIFO级别。 EMIOUARTxRTSN 输出仅在填充水平降至低于 FDEL 的 4 倍以下时才会再次置位。

Tx_FIFO_trigger_level0寄存器Tx_FIFO_trigger_level0 (0x3CU)
发送FIFO数据量触发中断寄存器
                        
Field Name
                        
                        
Bits
                        
                        
Type
                        
                        
Reset Value
                        
                        
Description
                        
                        
保留(只读)
                        
                        
31:6
                        
                        
WR
                        
                        
0x20
                        
                        
保留(只读)
                        
                        
TTRIG
                        
                        
5:0
                        
                        
                        
                        
                        
                        
0:禁用FIFO触发功能
                        
1~63:设置FIFO触发的数据量
                        
5搭建SOC系统工程
详细的搭建过程这里不再重复,对于初学读者如果还不清楚如何创建SOC工程的,请学习“01Vitis Soc开发入门”这篇文章。
5.1SOC系统工程
直接使用已经搭建好的“01Vitis Soc开发入门”这篇文章中的工程。
90b15288fe29407b9cbf626ffa675fc5.jpg
5.2编译并导出平台文件
以下步骤简写,有不清楚的看第一篇文章。
1:单击Block文件à右键àGenerate the Output ProductsàGlobalàGenerate。
2:单击Block文件à右键à Create a HDL wrapper(生成HDL顶层文件)àLet vivado manager wrapper and auto-update(自动更新)。
3:添加配套工程路径下uisrc/04_pin/fpga_pin.xdc约束文件
4:生成Bit文件。
5:导出到硬件: FileàExport HardwareàInclude bitstream
6:导出完成后,对应工程路径的soc_hw路径下有硬件平台文件:system_wrapper.xsa的文件。根据硬件平台文件system_wrapper.xsa来创建需要Platform平台。
f2542e0ef4df4ee79dfe9a978291db3a.jpg
6 搭建Vitis-sdk工程
创建soc_base sdk platform和APP工程的过程不再重复,如果不清楚请参考本章节第一个demo。
6.1创建SDK Platform工程
77ac1962910e4942a3f7bbf06817973b.jpg
右击soc_base编译,编译的时间可能会有点长
6.2创建uart_intr APP工程
caf0455830e94ecfb4d98f04ea76dd51.jpg
7程序分析7.1init_intr_sys函数
  1. void init_intr_sys(void)
  2. {
  3.         Init_Intr_System(&Intc);
  4.         
  5.         Init_UartPsIntr(&UartPs,UART_DEVICE_ID);
  6.         
  7.         UartPs_Setup_IntrSystem(&Intc, &UartPs, UART_INT_IRQ_ID);
  8.         
  9.         Setup_Intr_Exception(&Intc);
  10. }
复制代码

此函数在程序文件uart_intr_test.c中通过调用相关中断函数实现中断功能。为了实现多类型中断,用户必须根据以下方式设置中断。
7.2Init_Intr_System(&Intc)函数
  1. int Init_Intr_System(XScuGic * IntcInstancePtr)
  2. {
  3.         int Status;

  4.         XScuGic_Config *IntcConfig;
  5.         /*
  6.          * Initialize the interrupt controller driver so that it is ready to
  7.          * use.
  8.          */
  9.         IntcConfig = XScuGic_LookupConfig(INTC_DEVICE_ID);
  10.         if (NULL == IntcConfig) {
  11.                 return XST_FAILURE;
  12.         }

  13.         Status = XScuGic_CfgInitialize(IntcInstancePtr, IntcConfig,
  14.                                         IntcConfig->CpuBaseAddress);
  15.         if (Status != XST_SUCCESS) {
  16.                 return XST_FAILURE;
  17.         }
  18.         return XST_SUCCESS;
  19. }
复制代码

1:XScuGic_LookupConfig(INTC_DEVICE_ID) 函数
8e532beefa5b49ca98076e4c067e7de2.jpg
右击XScuGic_ConfigTable查看参数定义:
6cca4c6f8d194f3d9800c2296b5ba166.jpg
可以继续右击以下参数查看其定义
可以继续右击以下参数查看其定义
ZYNQ中定义
07059a07b6e44161b271f8485a22c17b.jpg
MPSOC中定义
7030703dde7e492d9c3e3799914b0021.jpg
2: XScuGic_CfgInitialize(IntcInstancePtr, IntcConfig,IntcConfig->CpuBaseAddress)
中断部分主要内容是回调函数的设置,以下回调函数相关参数定义如下:
4fe0dce4faa742c99279202608530edd.jpg
以下代码对所有为定义的全局中断进行定义回调函数和回调参数。
dfd62059a22541f4940ed955666b118d.jpg
StubHandler函数定义如下:
2110f414be4e43ef9d629fdf0f5f5ec5.jpg
7.3Setup_Intr_Exception函数
  1. void Setup_Intr_Exception(XScuGic * IntcInstancePtr)
  2. {
  3.         /* Enable interrupts from the hardware */
  4.         Xil_ExceptionInit();
  5.         Xil_ExceptionRegisterHandler(XIL_EXCEPTION_ID_INT,
  6.                         (Xil_ExceptionHandler)XScuGic_InterruptHandler,
  7.                         (void *)IntcInstancePtr);
  8.         Xil_ExceptionEnable();
  9. }
复制代码

这个函数中对设置全局中断回调函数,以及使能全局中断
1:Xil_ExceptionInit()函数
这个函数目前说明都没做,只是未来保留兼容性,预留在这里。
aba5c6f9f22240359cf3149b856215cd.jpg
2:Xil_ExceptionRegisterHandler(XIL_EXCEPTION_ID_INT,(Xil_ExceptionHandler)XScuGic_InterruptHandler,(void *)IntcInstancePtr)函数 dfff34dc47134230a4ab9e29ac043d51.jpg
2.1XIL_EXCEPTION_ID_INT定义
7e7f897f999c4bedb471604feea92d55.jpg
ee3138a26ed940f98625b32e9f5fa140.jpg
2.2: XExc_VectorTableEntry定义
任何的中断都可以理解位异常处理,这里定义了MPSOC或者ZYNQ支持的异常处理类型。
d4dddec9ac434bf5988fb0593bb85709.jpg
2.3XScuGic_InterruptHandler函数
可以看到这个函数会根据读取到的中断号调用相应的回调函数,这个回调函数会在具体的外设中断初始化中设置。
c490c8a6508b470e9e9caa35804d9d21.jpg
2.3中断异常回调函数
5f5bd4f8f0394ba6a28a34653ce632a5.jpg
由于XIL_EXCEPTION_ID_INT=2所以Xil_ExceptionNullHandler在中断产生的时候会被调用。
0f524f05a3b24e9fabad11962eba9f64.jpg
86f6ed2d400c4978b0d8498b267df4fa.jpg
3:Xil_ExceptionEnable()函数
这条函数最终指向了汇编指令:
5751d926cc554282862402137bfb89a0.jpg
967a9d1025514b7a80b323f46bb8d9a4.jpg
a8ff8712bea44478be5daaafb6e1776a.jpg
7.4Init_UartPsIntr函数
  1. int Init_UartPsIntr(XUartPs *UartInstPtr,u16 DeviceId )
  2. {
  3.         int Status;
  4.         XUartPs_Config *Config;

  5.         Config = XUartPs_LookupConfig(DeviceId);
  6.         if (NULL == Config) {
  7.                 return XST_FAILURE;
  8.         }

  9.         Status = XUartPs_CfgInitialize(UartInstPtr, Config, Config->BaseAddress);
  10.         if (Status != XST_SUCCESS) {
  11.                 return XST_FAILURE;
  12.         }
  13.         return XST_SUCCESS;
  14. }
复制代码

1:XUartPs_LookupConfig(DeviceId)函数
首先依然是通过查找配置程序来获取串口的硬件配置。我们跟踪这个程序,看看他获取的配置是什么。
62160d3fb1134d248411e4de16c60c57.jpg
右击参数打开参数定义
90e6df7f92bd49f5b63eeb6c032bb047.jpg
可以看到,这个数组里存放的是UART的设备ID、UART的基地址、时钟频率、MODEM功能 (没用到)。
3ee103bcf2c140ad9d15e1328f124a48.jpg
可以继续右击这些参数定位到这些参数的定义
872be1fcdfa741f48bcde4de1e1da183.jpg
在xparameters.h中找到如下定义,可以看到UART0的基地址为0xFF000000,UART的时钟为100M
0c2795bdd7dd4a42a05b21ff937e63be.jpg
2:XUartPs_CfgInitialize(UartInstPtr, Config, Config->BaseAddress)函数
这个函数对UART部分寄存器进行了初始化。可以看到这个函数的第一个参数指向了定义的UART指针,我们就跟踪一下这个指针。
2.1:XuartPs结构体
定义了包括UART的时钟、波特率、收发缓存、回调函数等一共10项参数:
  1. /**
  2. * The XUartPs driver instance data structure. A pointer to an instance data
  3. * structure is passed around by functions to refer to a specific driver
  4. * instance.
  5. */
  6. typedef struct {
  7.         XUartPs_Config Config;        /* Configuration data structure */
  8.         u32 InputClockHz;        /* Input clock frequency */
  9.         u32 IsReady;                /* Device is initialized and ready */
  10.         u32 BaudRate;                /* Current baud rate */

  11.         XUartPsBuffer SendBuffer;
  12.         XUartPsBuffer ReceiveBuffer;

  13.         XUartPs_Handler Handler;
  14.         void *CallBackRef;        /* Callback reference for event handler */
  15.         u32 Platform;
  16.         u8 is_rxbs_error;
  17. } XUartPs;
复制代码

参数1:XUartPs_Config Config;保存XUartPs_LookupConfig(DeviceId)函数获取的参数值,包括UART的地址、时钟频率等:
b79763b9f4a941219be1e636bfeaae9a.jpg
参数2:u32 InputClockHz  保存UART时钟频率
参数3:u32 IsReady 指示UART是否已经初始化完成
参数4:u32 BaudRate 指示UART的波特率
参数5:XUartPsBuffer SendBuffer 定义并指向UART的发送缓存结构体
参数6:XUartPsBuffer ReceiveBuffer定义并指向UART的接收缓存结构体
4f29203f3a204d53b8a589751d6cb307.jpg
参数7:XUartPs_Handler Handler 定义回调函数
35ae1c9e50954eb783dec0fe8accd5a0.jpg
参数8:void *CallBackRef 回调函数的参数,代表了UART中断事件的类型
参数9:Platform 保存平台信息,目前对于XILINX的硬件来说支持ZYNQ、MPSOC、Microblaze,可以通过XGetPlatform_Info()获取
参数10:is_rxbs_error 接收的error参数,目前不清楚具体用在什么地方
2.2:参数初始化
之后需要对参数做一些初始化
eb324c1ee1344245964cd5a810a0603f.jpg
2.3:XUartPs_SetBaudRate函数
计算波特率,这个函数可以自动计算波特率,并且设置相关的寄存器,具体的可以右击进去查看下。
2.3.1:波特率计算:
计算所有的波特率分频情况,找出最佳值,这个计算方法大家可以记住下,说不定其他算法领域也会用到。
7056655d32244921a42d5faa884fcc0f.jpg
2.3.2:设置波特率时钟使能:
XUartPs_WriteReg(InstancePtr->Config.BaseAddress,XUARTPS_BAUDGEN_OFFSET, Best_BRGR);
波特率发生器寄存器:XUARTPS_BAUDGEN_OFFSET=0x0018
c9adc246efe54874b513456251c3cbe2.jpg
2.3.3:设置波特率分频系数:
XUartPs_WriteReg(InstancePtr->Config.BaseAddress,XUARTPS_BAUDDIV_OFFSET, Best_BAUDDIV);
波特率分频寄存器:XUARTPS_BAUDDIV_OFFSET=0x0034
65181a22105e45b49c732f676709ac54.jpg
2.3.4软件复位RX/TX模块
XUartPs_WriteReg(InstancePtr->Config.BaseAddress, XUARTPS_CR_OFFSET,XUARTPS_CR_TXRST | XUARTPS_CR_RXRST);
控制寄存器:XUARTPS_CR_OFFSET=0x0000
TX复位:XUARTPS_CR_TXRST=0x00000002
RX复位:XUARTPS_CR_RXRST=0x00000001
b284d1f0fe714cd4996eda0253f8e1b5.jpg
2.3.5:使能UART
XUartPs_EnableUart(InstancePtr) \
   Xil_Out32(((InstancePtr)->Config.BaseAddress + (u32)XUARTPS_CR_OFFSET), \
  ((Xil_In32((InstancePtr)->Config.BaseAddress + (u32)XUARTPS_CR_OFFSET) & \
  (u32)(~XUARTPS_CR_EN_DIS_MASK)) | ((u32)XUARTPS_CR_RX_EN | (u32)XUARTPS_CR_TX_EN)))
使能或禁用掩码:XUARTPS_CR_EN_DIS_MASK=0x0000003C
RX使能:XUARTPS_CR_RX_EN=0x00000004
TX使能:XUARTPS_CR_TX_EN=0x00000010
890583d5584844ba969c1bb85a4ed70b.jpg
2.4:UART数据模式设置
再次回到XUartPs_CfgInitialize函数查看UART模式寄存器设置:数据8bit、无奇偶校验、1个停止位。
寄存器偏移地址:XUARTPS_MR_OFFSET=0x0004
1b0e44c6df0b47108b0fb38d800d942d.jpg

06c4677beba04622a3edcde650c2ee14.jpg
2.5:RxFIFO触发长度寄存器设置
XUartPs_WriteReg(InstancePtr->Config.BaseAddress,XUARTPS_RXWM_OFFSET, 0x08U);
寄存器偏移地址:XUARTPS_RXWM_OFFSET= 0x00000020
676725c7717a4391b31f6ca6267a37da.jpg
2.6:RxFIFO超时寄存器设置
XUartPs_WriteReg(InstancePtr->Config.BaseAddress,XUARTPS_RXTOUT_OFFSET, 0x01U);
寄存器偏移地址:XUARTPS_RXTOUT_OFFSET = 0x001C
8aad4bded464424ab3734e792200f841.jpg
2.7:中断禁用寄存器设置
XUartPs_WriteReg(InstancePtr->Config.BaseAddress, XUARTPS_IDR_OFFSET,XUARTPS_IXR_MASK);
中断禁用寄存器地址偏移:XUARTPS_IDR_OFFSET=0x000C
XUARTPS_IXR_MASK = 0x00003FFF 禁止所有中断
678cb94079f645c0861b84f5b10e1ee4.jpg
7.5UartPs_Setup_IntrSystem(&Intc, &UartPs, UART_INT_IRQ_ID)函数
  1. int UartPs_Setup_IntrSystem(XScuGic *IntcInstancePtr,XUartPs *UartInstancePtr,u16 UartIntrId)
  2. {
  3.         int Status;
  4.         u32 IntrMask;
  5.         /*
  6.          * interrupt for the device occurs, the device driver handler
  7.          * performs the specific interrupt processing for the device
  8.          */
  9.         Status = XScuGic_Connect(IntcInstancePtr, UartIntrId,
  10.                                   (Xil_ExceptionHandler) XUartPs_InterruptHandler,
  11.                                   (void *) UartInstancePtr);
  12.         if (Status != XST_SUCCESS) {
  13.                 return XST_FAILURE;
  14.         }

  15.         /*
  16.                  * Setup the handlers for the UART that will be called from the
  17.                  * interrupt context when data has been sent and received, specify
  18.                  * a pointer to the UART driver instance as the callback reference
  19.                  * so the handlers are able to access the instance data
  20.                  */
  21.                 XUartPs_SetHandler(UartInstancePtr, (XUartPs_Handler)UartPs_Intr_Handler, UartInstancePtr);

  22.                 /*
  23.                  * Enable the interrupt of the UART so interrupts will occur, setup
  24.                  * a local loopback so data that is sent will be received.
  25.                  */
  26.                 IntrMask =
  27.                         XUARTPS_IXR_TOUT | XUARTPS_IXR_PARITY | XUARTPS_IXR_FRAMING |
  28.                         XUARTPS_IXR_OVER | XUARTPS_IXR_TXEMPTY | XUARTPS_IXR_RXFULL |
  29.                         XUARTPS_IXR_RXOVR;

  30.                 if (UartInstancePtr->Platform == XPLAT_ZYNQ_ULTRA_MP) {
  31.                         IntrMask |= XUARTPS_IXR_RBRK;
  32.                 }

  33.                 XUartPs_SetInterruptMask(UartInstancePtr, IntrMask);
  34.                 XUartPs_SetRecvTimeout(UartInstancePtr, 32);


  35.         /* Enable the interrupt for the device */
  36.         XScuGic_Enable(IntcInstancePtr, UartIntrId);

  37.         return XST_SUCCESS;
  38. }
复制代码

1:XScuGic_Connect(IntcInstancePtr, UartIntrId, (Xil_ExceptionHandler) XUartPs_InterruptHandler, (void *) UartInstancePtr)函数
这里把GIC的53号中断回调函数XUartPs_InterruptHandler和回调参数UartInstancePtr,这样当XUartPs_InterruptHandler函数回调的时候,可以通过参数UartInstancePtr继续回调
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读者可以看前面Setup_Intr_Exception函数中关于Xil_ExceptionRegisterHandler(XIL_EXCEPTION_ID_INT,(Xil_ExceptionHandler)XScuGic_InterruptHandler,(void *)IntcInstancePtr)函数的说明再看这里就能明白了。
1.1:XUartPs_InterruptHandler
此回调函数中分别根据UART的中断寄存器和中断状态寄存器判断有效的中断包括:接收中断、发送中断、错误中断、超时中断、调制解调中断
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1.2 ReceiveDataHandler(InstancePtr)函数
我们再展开比如ReceiveDataHandler(InstancePtr)函数,这个函数中会接收FIFO中所有数据,并且最后调用以下函数,进一步回调并且传递相关参数。
ed22962789d948a288473c5258adcf41.jpg
以上代码中InstancePtr->CallBackRef会调用UartPs_Intr_Handler。那么这里读者应该记得在Init_UartPsIntr函数中,也对UART的回调函数进行了定义代码如下:XUartPs_SetHandler(UartInstPtr, (XUartPs_Handler)UartPs_Intr_Handler, UartInstPtr);这样最终就能回调我们的函数:void UartPs_Intr_Handler(void *CallBackRef, u32 Event, unsigned int EventData)
2:XUartPs_SetHandler(UartInstPtr, (XUartPs_Handler)UartPs_Intr_Handler, UartInstPtr)函数
此函数用于设置UART的中断回调函数,通过以下定义可以确定回调函数是通过无符号的指针函数定义。
ccb2a9f603f34080b67f457677c4d90e.jpg

d04c44b6d234493681bec1970c44c559.jpg
3:XUartPs_SetInterruptMask(UartInstPtr, IntrMask)
设置UART中断使能
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8ef18d2f3c204164839345cb7b1d175f.jpg
可以看到以上需要设置IER 中断使能和IDR中断禁用寄存器
中断使能寄存器地址偏移:XUARTPS_IER_OFFSET=0x0008
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中断禁用寄存器地址偏移:XUARTPS_IER_OFFSET=0x000C,这个寄存器在波特率设置函数中也有介绍。
3ea159119da2426eadc68b0b3119a338.jpg
4:XUartPs_SetRecvTimeout(UartInstPtr, 8)函数
该函数设置了空闲超时等待的时间为8x4 = 32为32个波特率采样时钟,意思就是当串口上超过32个波特率采样时钟没有数据的时候,就会触发一次超时中断,这样可以通知用户程序去读取已经接收到的数据。
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接收超时寄存器偏移地址:XUARTPS_RXTOUT_OFFSET=0x001C
67c06df592794777bb2278b5184480f6.jpg
这个函数的最后是再次启动超时计数器:
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5:XScuGic_Enable(IntcInstancePtr, UartIntrId)函数
在以下代码中,首先绑定中断号,CPU号,我们也可以进一步分中断
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2.1XScuGic_InterruptMaptoCpu(InstancePtr, Cpu_Id, Int_Id)函数
在这个函数中具体中断和CPU如何关联,如何设置SPI(共享外设中断)中断寄存器的相关位我们无法进一步分分析,到此为止。
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6:UartPs_Intr_Handler函数
在这个函数中,我们把中断接收到的数据发送出去。
5d966124bca844bc8671438d355211c5.jpg
8方案演示
8.1硬件准备
实验需要用到JTAG下载器、USB转串口外设,另外需要把核心板上的2P模式开关设置到JTAG模式,即ON ON
f09aa677ab6642649486a7041f8efca6.jpg
8.2实验结果
通过串口输入控制台输入数据到zynq,zynq产生接收中断,并且再通过串口输出接收到的数据。
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