學習內容

本文主要介紹關于ZYNQ芯片的串口中斷功能，并編寫相關讀寫測試代碼，完成串口中斷的讀寫測試。

開發環境

vivado 18.3&SDK，PYNQ-Z2開發板。

UART控制器

簡介

UART控制器是一個全雙工異步接收和發送，支持可編程波特率和I/O信號格式。 該控制器可實現奇偶校驗自動生成和多主檢測模式。UART操作由配置和模式寄存器控制。

FIFO、調制解調器信號和其他控制器功能的狀態是使用狀態、中斷狀態和調制解調器狀態寄存器讀取的。UART控制器有獨立的RX和TX數據路徑。每個路徑包括一個64字節的FIFO。 控制器TX和RX FIFO中的數據進行串行化和反串行化，并包括一個模式開關，以支持RXD和TXD信號的各種環回配置。（RXD和TXD使用模式：正常模式、各種環回診斷測試模式）

FIFO中斷狀態位支持輪詢或中斷驅動的處理程序。 軟件使用RX和TX數據端口寄存器讀取和寫入數據字節。當在類似于調制解調器的應用程序中使用UART時，調制解調器控制模塊檢測并生成調制解調器握手信號，并且還根據握手協議控制接收和發送器路徑。（調制解調器控制信號:CTS, RTS, DSR, DTR, RI和DCD只有在EMIO接口可用）

系統框圖

UART控制器的系統框圖如下圖所示：

在圖中，SLCR寄存器（系統級控制寄存器(SLCR)由用于控制PS行為的各種寄存器組成。這些寄存器可以通過中央互連使用加載和存儲指令訪問。）包括控制位用于UART時鐘，復位和MIO-EMIO信號映射。軟件可以使用APB 32位的從接口訪問UART控制器寄存器。每個控制器的IRQ（中斷號為59,82）連接到PS中斷控制器，并連接到PL。UART控制器由參考時鐘（ UART REF_CLK）驅動，同時控制器也需要連接APB 總線時鐘（ CPU_1x clock）， UART REF_CLK 和 CPU_1x clock 都是來自于 PS 時鐘子系統。

內部框圖

UART控制器內部框圖如下圖所示。

由上圖可知，UART控制器使用PS AXI interconnect 進行數據交互，通過APB Slave接口來接收PS端口的配置信息和一些數據信息。假設要發送數據，則系統先將發生的字符串緩存到TxFIFO下，然后經Transmitter模塊實現并轉串，如果工作在正常模式下，則數據之間接到MIO/EMIO引腳上，正常向接收設備發送；假設要接收其他設備傳來的串口信息，則首先通過串口接收引腳接收串行數據，然后經過receiver模塊實現串轉并，轉換過后存入到RxFIFO下，經過APB從接口傳輸到PS端，即可對接收數據進行處理。

通過控制狀態寄存器可以對UART控制器進行控制，而這些引腳只能連接到EMIO。UART控制器內部包括一個中斷模塊，所以可以和其他模塊一樣正常接收到來自系統的中斷信號。對于UART的參考時鐘在控制器內部首先進行了一個八分頻，接著再產生波特率時鐘。

Transmit FIFO

Transmit FIFO (Tx FIFO)存儲由APB從接口寫入的數據，發送模塊收到FIFO中的數據后刪除FIFO的數據然后進行串并轉換，并裝入其移位寄存器。TxFIFO的最大數據寬度為8位。數據通過寫入TxFIFO寄存器加載到TxFIFO。

當數據加載到TxFIFO時，TxFIFO空標志將被清除并保持在這個Low狀態，直到TxFIFO中的最后一個字符被刪除并加載到發送器移位寄存器中。TxFIFO滿中斷狀態(TFULL)表明TxFIFO已經完全寫滿了，并且阻止數據被寫入到TxFIFO中。如果對TxFIFO執行另一個APB寫入操作，則觸發溢出，寫入數據不會加載到TxFIFO中。

發送 FIFO接近滿標志(TNFULL)表明在FIFO中沒有足夠的空間來進行一次程序大小的寫入，這是由模式寄存器的WSIZE位控制的。TxFIFO接近滿標志(TNFULL)表示TxFIFO中只有字節空閑。

可以在TxFIFO填充級別上設置一個閾值觸發器(TTRIG)。發射器觸發寄存器可以用來設置這個值，這樣當TxFIFO填充深度達到設定的閾值時觸發可以設置。

Receiver FIFO

Receiver FIFO和Transmit FIFO類似。RxFIFO存儲由接收器串行移位寄存器接收的數據。RxFIFO的最大數據寬度是8位。當數據加載到RxFIFO時，RxFIFO空標志被清除，并且這種狀態保持為低，直到RxFIFO中的所有數據通過APB接口傳輸完畢。空標志重新置位為高，如果接著讀FIFO的話，則會從空的RxFIFO讀取返回0。

RxFIFO滿狀態(Chnl_int_sts_reg0 [RFUL]和Channel_sts_reg0 [RFUL]位)表明RxFIFO滿了，阻止數據被加載到RxFIFO。同時也可以在RxFIFO上設置一個閾值觸發器(RTRIG)。接收器觸發級別寄存器(Rcvr_FIFO_trigger_level0)可以用來設置這個值，取值范圍是1 ~ 63。

I / O模式切換

這里的模式切換即為內部框圖中的 Mode Switch 模塊，如下圖所示。

該模式由mode_reg0 [CHMODE]寄存器設置控制，總共分為四種模式，分別 為：正常模式（ Normal Mode）、自動回音模式（ Automatic Echo Mode）、本地環回模式（ Local Loopback Mode）和遠程環回模式（ Remote Loopback Mode）。

正常模式（ Normal Mode） ：用于標準UART操作，就是發送接收功能。

自動回音模式（ Automatic Echo Mode） ：Automatic Echo Mode模式在RxD上接收數據，模式開關將數據連接到接收端和UARTx_TxD。而PS的TXD端口的數據無法正常發出。

本地環回模式（ Local Loopback Mode） ：本地環回模式不連接到RxD或TxD引腳，而是直接把PS發送的數據傳輸到PS的接收端。

遠程環回模式（ Remote Loopback Mode） ：遠程環回模式將RxD信號連接到TxD信號。在這種模式下，控制器不能在TxD上發送任何內容，也不能在RxD上接收任何內容。

UART啟動順序

UART 的啟動順序如下：

1. 復位UART控制器，在PS進行系統復位時進行控制器的復位。
2. 配置 IO 引腳信號。
3. 配置 UART 參考時鐘（可以保護默認）。
4. 配置控制器功能（ UART 控制器初始化）。
5. 配置中斷，通過中斷來管理 RxFIFO 和 TxFIFO。
6. 配置串口模式控制（可選）。
7. 管理發送和接收的數據，采用輪詢或中斷驅動處理兩種方式。

配置控制器功能步驟

在UART控制器中，控制器可以配置字符幀、波特率、FIFO觸發級別、Rx超時機制，并使能控制器。所有步驟都必須在復位之后。 配置控制器的功能步驟如下：

1. 配置 UART 數據幀格式。 數據位長度、停止位、校驗方式、 IO 模式等。
2. 設置波特率。
3. 設置 RxFIFO 觸發器等級，可以選擇啟用或禁用該功能。
4. 使能 UART 控制器。
5. 配置接收器的超時機制，可以選擇啟用或禁用該功能。

發送數據步驟

編寫軟件程序時，可以通過使用輪訓和中斷的方式控制RxFIFO和TxFIFO中的數據流。

使用輪詢方式發送數據順序

1. 檢查TxFIFO是否為空。直到uart.Channel sts rego[TEMPTY] =1，執行后續步驟。
2. 用數據填充TxFIFO。向uart.TX_RX_FIFO0寄存器寫入64字節的數據。
3. 向TxFIFO寫入數據。有兩種方法:方法一： 可以等待 TxFIFO 為空之后再寫入 64 個字節，即執行第 2 步；方法一： 可以檢測 TxFIFO 是否寫滿，即不停的讀取 TFUL 標志和寫單個字節的數據。

使用中斷方法發送數據的順序

1. 禁用 TxFIFO 空狀態中斷。
2. 寫入數據到TxFIFO中。
3. 檢測TxFIFO是否還有足夠的空間容納數據。
4. 重復2和3操作。
5. 使能中斷。
6. 等待TxFIFO為空，然后從步驟 1 重新開始。

接收數據步驟

使用輪詢方式發送數據順序

1. 等待RxFIFO被填滿到觸發器級別。
2. 從RxFIFO讀取數據。
3. 重復步驟2，直到FIFO為空。
4. 設置Rx超時中斷狀態位時清除。

使用中斷方法發送數據順序

1. 使能中斷。
2. 等待RxFIFO被填滿到觸發級別或Rx超時。
3. 從RxFIFO讀取數據。
4. 重復步驟2和3，直到FIFO為空。
5. 如果設置了中斷狀態位，則清除中斷狀態位。

系統框圖

這里僅僅使用了UART部分，所以可以利用前文的helloworld工程，不需要進行特殊的配置。通過串口的中斷功能把發送的數據再接收到PS端進行一個回環顯示。

硬件平臺搭建

新建工程，創建 block design。添加ZYNQ7 ip，根據本次工程需要對IP進行配置。勾選本次工程使用的uart資源

將ZYNQ無用資源進行取消勾選：

硬件系統構建完成如下：

然后我們進行generate output product 然后生成HDL封裝。這里只用到了UART，是MIO引腳，所以不需要進行管腳分配。點擊導出硬件資源（可以不包含bit流文件，因為只用到了PS資源），接著launch SDK。

SDK軟件部分

打開SDK后，新建application project。 在system.mss中可以打開相關參考文檔輔助設計。

這里使用串口中斷可以參考賽靈思提供的例程代碼進行修改設計：

這里導入uart_intr_example例程模板在main.c中輸入以下代碼：

#include "xparameters.h"
#include "stdio.h"
#include "xuartps.h"
#include "xuartps_hw.h"
#include "xscugic.h"
#define UART_0_DEVICE_ID XPAR_PS7_UART_0_DEVICE_ID
#define INTR_DEVICE_ID		XPAR_SCUGIC_SINGLE_DEVICE_ID
#define UART_INT_IRQ_ID		XPAR_XUARTPS_0_INTR
XUartPs Uart_Inst;
XScuGic ScuGic_Inst;
int uart_init();
void intr_init(XScuGic *intr, XUartPs *uart);
void UartIntr_Handler(void *call_back_ref);
int main(){

	//uart初試化函數
	uart_init();
	xil_printf("intr\n");
	//中斷初始化
	intr_init(&ScuGic_Inst,&Uart_Inst);
	while(1);
	return0;
}

//uart初始化
int uart_init(){
	XUartPs_Config *UartPs_Cfg;
	int Status;
	//查找配置信息
	UartPs_Cfg= XUartPs_LookupConfig(UART_0_DEVICE_ID);
	//對uart控制器進行初始化
	XUartPs_CfgInitialize(&Uart_Inst, UartPs_Cfg, UartPs_Cfg->BaseAddress);
	//檢測硬件搭建是否正確
	Status = XUartPs_SelfTest(&Uart_Inst);
	if (Status != XST_SUCCESS) {
		return XST_FAILURE;
	}
	//設置波特率
	XUartPs_SetBaudRate(&Uart_Inst,115200);
	//設置RXFIFO觸發閾值
	XUartPs_SetFifoThreshold(&Uart_Inst,1);
	//設置操作模式
	XUartPs_SetOperMode(&Uart_Inst, XUARTPS_OPER_MODE_NORMAL);

	return XST_SUCCESS;
}

//中斷初始化
void intr_init(XScuGic *intr, XUartPs *uart){
	XScuGic_Config *IntcConfig;
	//中斷控制器初始化
	IntcConfig = XScuGic_LookupConfig(INTR_DEVICE_ID);
	XScuGic_CfgInitialize(intr,IntcConfig,IntcConfig->CpuBaseAddress);
	Xil_ExceptionInit();
	Xil_ExceptionRegisterHandler(XIL_EXCEPTION_ID_INT,
					(Xil_ExceptionHandler) XScuGic_InterruptHandler,
					(void *)intr);
	Xil_ExceptionEnable();
	//為中斷設置中斷處理函數
	XScuGic_Connect(intr, UART_INT_IRQ_ID,
					  (Xil_ExceptionHandler) UartIntr_Handler,
					  (void *) uart);
	//設置觸發類型
	XUartPs_SetInterruptMask(uart, XUARTPS_IXR_RXOVR);
	//使能中斷
	XScuGic_Enable(intr, UART_INT_IRQ_ID);

}
//中斷處理函數
void UartIntr_Handler(void *call_back_ref){
	XUartPs *uartinst =(XUartPs *)call_back_ref;
	u32 read_data = 0;
	u32 intr_status;
	//讀取中斷ID寄存器
	intr_status = XUartPs_ReadReg(uartinst->Config.BaseAddress,
			XUARTPS_IMR_OFFSET);//讀取掩碼
	intr_status &= XUartPs_ReadReg(uartinst->Config.BaseAddress,
			XUARTPS_ISR_OFFSET);//讀取狀態
	if(intr_status & (u32)XUARTPS_IXR_RXOVR){
		read_data = XUartPs_RecvByte(XPAR_PS7_UART_0_BASEADDR);//接收發送的字節
		XUartPs_WriteReg(uartinst->Config.BaseAddress,XUARTPS_ISR_OFFSET,
				XUARTPS_IXR_RXOVR);//清除中斷狀態
	}
	//設置發送
	XUartPs_SendByte(XPAR_PS7_UART_0_BASEADDR,read_data);
}

部分代碼講解

在整體的代碼設計中，代碼思路如下：

1. 初始化UART控制器
2. 初始化UART中斷
3. 編寫中斷服務函數

對于初始化UART部分，在#include "xuartps.h" 頭文件中可以找到很多配置的函數，調用即可對uart的波特率，中斷觸發閾值等參數進行設置。 對于中斷的配置可以類比GPIO的中斷配置函數，先在初始化SGIC，然后進行異常初始化，完成注冊異常并使能，接著需要連接SGIC和UART，最后設置中斷類型并使能完成中斷整體操作配置。 在中斷服務函數中，實現的功能為回環讀寫，所以要在中斷函數中進行檢測中斷類型，當進入相應的中斷時進行數據的讀取，讀取到上位機的發送數據，然后清除中斷標志，最后把讀到的數據進行發送。

Reference

1. 正點原子視頻教程
2. UG585