嵌入式軟核Nios Ⅱ串口直接讀寫(xiě)寄存器的編程方法

NiosⅡ處理器是Intel公司為Altera公司推出的一個(gè)32位精簡(jiǎn)指令處理器軟核。在A(yíng)ltera公司推出的軟件SoPC中加載NiosⅡ軟核和相應的外圍接口以及與定義相應的自定義指令，然后對設計進(jìn)行綜合，下載到FPGA中就可以方便地實(shí)現一個(gè)具有高速DSP功能的嵌入式處理器。

　　NiosⅡ處理器的軟件開(kāi)發(fā)是建立在A(yíng)NSI C基礎上的。NiosⅡIDE是NiosⅡ系列嵌入式處理器的主要軟件開(kāi)發(fā)工具。用戶(hù)可以在NiosⅡIDE中完成所有的軟件開(kāi)發(fā)任務(wù)，如編輯、編譯、下載、調試和閃存編程。NiosⅡ嵌入式系統的一個(gè)重要問(wèn)題就是軟件代碼量的大小，這關(guān)系到存放代碼的存儲器件容量大小，因此控制和減小程序代碼量是降低系統成本的重要方法，必須首先從處理器的啟動(dòng)順序開(kāi)始研究。

　　1 串口C語(yǔ)言方式編程

　　使用該方法要加上下面語(yǔ)句：

執行上面程序可以得到串口輸出結果。

　　如果不調用alt_main()函數，則系統默認運行步驟如下：

　　(1)調用alt_os_int()函數來(lái)執行任何操作系統所特有的初始化。如果HAL是在操作系統里運行的，那么初始化alt_fd_list_lock命令。它可以控制訪(fǎng)問(wèn)HAL文件系統，初始化中斷控制器并執行中斷。

　　(2)調用alt_sys_init()函數，以初始化系統里所有的驅動(dòng)裝置和軟件組成部分。

　　(3)重新設置C標準I/O通道(stdin，stdout，stderr)，以使用合適的器件。

　　(4)調用main()。

　　(5)調用exit()。main()的返回代碼作為exit()的輸入。

　　該方式使用串口比較簡(jiǎn)單，但是占用的存儲資源比較大，編譯時(shí)間也較長(cháng)。

　2 串口直接讀寫(xiě)寄存器方式編程

　　2.1 串口初始化

　　NiosⅡ的串口編程有多種方式，比較多的是采用標準C語(yǔ)言寫(xiě)法，占用程序空間比較大。NiosⅡ處理器的啟動(dòng)可采用2種方式：自動(dòng)初始化和用戶(hù)自定義初始化。ANSI C標準定義應用程序可以通過(guò)調用main()來(lái)開(kāi)始執行。在調用main()之前，應用程序假定運行環(huán)境和所有的服務(wù)系統都被初始化并準備運行。初始化可以被硬件抽象層(HAL)系統庫自動(dòng)執行。程序員不需要考慮系統的輸出設備以及如何初始化每一個(gè)外設，HAL會(huì )自動(dòng)初始化整個(gè)系統。

　　另外，ANSI C標準也提供了一個(gè)可變的入口點(diǎn)程序，以避免自動(dòng)初始化。ANSI C標準還定義程序員能手動(dòng)初始化任何所用的硬件。alt_ main()函數提供了一個(gè)獨立式的編程環(huán)境，能夠完全控制系統的初始化。獨立式編程環(huán)境可以使程序員手動(dòng)編寫(xiě)初始化系統的代碼。

　　HAL提供的系統初始化代碼按以下啟動(dòng)順序運行：

　　(1)啟動(dòng)指令和數據高速緩沖存儲器;

　　(2)配置堆棧;

　　(3)配置全局指針;

　　(4)通過(guò)鏈接器提供的_bss_start和_bss_end來(lái)零初始化BSS層，_bss_start和_bss_end是開(kāi)始和結束B(niǎo)SS的命令;

　　(5)如果當前系統沒(méi)有啟動(dòng)下載器，就復制.rwdata，.rodata或者剩下的部分到RAM;

　　(6)調用alt_main()。

　　在NiosⅡIDE工程中，只需簡(jiǎn)單定義alt_main()就可以實(shí)現用戶(hù)的啟動(dòng)順序，而且能夠選擇HAL的服務(wù)程序。如果應用程序需要一個(gè)alt_ main()入口點(diǎn)程序，可以復制默認的執行作為開(kāi)始點(diǎn)，根據要求來(lái)定制它。

　　使用獨立式編程環(huán)境會(huì )增加NiosⅡ程序編寫(xiě)的復雜性。獨立式編程環(huán)境的主要作用在于減小代碼量，但要使用這種方法，需要對NiosⅡ處理器的外設和驅動(dòng)編寫(xiě)都非常熟悉才行。在NiosⅡIDE中也可以通過(guò)某些選項來(lái)減小HAL系統庫容量，從而達到減小代碼量的目的，比使用獨立式編程環(huán)境容易得多。

　　串口部分程序初始化代碼如下：

　　//串口中斷初始化

　　2.2 串口收發(fā)通信程序

　　串口的收發(fā)可采用查詢(xún)和中斷方式，中斷方式要更好一些。

　　查詢(xún)方式發(fā)送子程序代碼如下：

　　查詢(xún)方式接收子程序代碼如下：

　　因為串口的中斷號是惟一的，所以中斷方式接收發(fā)送只能在一個(gè)中斷函數內。中斷方式接收發(fā)送子程序代碼如下：

該中斷處理程序可進(jìn)行中斷方式接收發(fā)送，如果程序需要進(jìn)行精確的接收發(fā)送，還需加上中斷程序和主程序的相互控制變量。

　　2.3 串口通信調試

　　在Nios中調試“Hello world!”范例的時(shí)候往往會(huì )出現這樣的錯誤：nios2-terminal：can't open uart：Permission denied。這是因為在調試程序時(shí)，打開(kāi)了另外的串口調試工具，或者可以說(shuō)是串口偵聽(tīng)器。但實(shí)際上NIOS IDE中已經(jīng)集成了串口調試工具，或者串口偵聽(tīng)器。在任務(wù)管理器中nios2-terminal.exe就是這個(gè)偵聽(tīng)串口的進(jìn)程。

　　所以，如果用NIOS IDE來(lái)觀(guān)察發(fā)送的數據，就不要用其他的串口調試工具，如果在編譯之前就打開(kāi)了其他的串口偵聽(tīng)器，編譯鏈接的時(shí)候就會(huì )出現上述的錯誤。而在程序編譯鏈接后再去打開(kāi)其他的串口偵聽(tīng)器，串口就會(huì )因為nios2-terminal.exe占用而無(wú)法打開(kāi)。解決的方法，如果想用NIOS IDE觀(guān)察的話(huà)就不要事先打開(kāi)其他的串口調試工具。而如果想用其他的串口調試工具來(lái)觀(guān)察數據，通過(guò)USB_BLASTER將數據下載到板子后，刪除任務(wù)管理器中的nios2_terminal.exe，然后打開(kāi)串口調試工具。如果程序沒(méi)有問(wèn)題，運行后就可以看到數據。

　　3 結果與討論

　　為證明以上程序的可運用性，特別制作了電路來(lái)驗證，芯片使用EP3C40，PC端使用串口調試助手，波特率為19 200 b/s，8位數據位，1位停止位，無(wú)校驗位。實(shí)驗結果如圖2所示。

經(jīng)實(shí)驗證明，該方法簡(jiǎn)單可靠，可以生成比較小的代碼。

　　4 結語(yǔ)

　　本文討論了嵌入式軟核NiosⅡ中串口模塊的編程方法，給出了串口模塊編程的示例代碼，經(jīng)實(shí)際運用，效果良好，具有一定的參考意義。