嵌入式軟核Nios Ⅱ串口直接讀寫寄存器的編程方法

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

　　NiosⅡ處理器的軟件開發(fā)是建立在ANSI C基礎(chǔ)上的。NiosⅡIDE是NiosⅡ系列嵌入式處理器的主要軟件開發(fā)工具。用戶可以在NiosⅡIDE中完成所有的軟件開發(fā)任務(wù)，如編輯、編譯、下載、調(diào)試和閃存編程。NiosⅡ嵌入式系統(tǒng)的一個重要問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(tǒng)成本的重要方法，必須首先從處理器的啟動順序開始研究。

　　1 串口C語言方式編程

　　使用該方法要加上下面語句：

執(zhí)行上面程序可以得到串口輸出結(jié)果。

　　如果不調(diào)用alt_main()函數(shù)，則系統(tǒng)默認(rèn)運(yùn)行步驟如下：

　　(1)調(diào)用alt_os_int()函數(shù)來執(zhí)行任何操作系統(tǒng)所特有的初始化。如果HAL是在操作系統(tǒng)里運(yùn)行的，那么初始化alt_fd_list_lock命令。它可以控制訪問HAL文件系統(tǒng)，初始化中斷控制器并執(zhí)行中斷。

　　(2)調(diào)用alt_sys_init()函數(shù)，以初始化系統(tǒng)里所有的驅(qū)動裝置和軟件組成部分。

　　(3)重新設(shè)置C標(biāo)準(zhǔn)I/O通道(stdin，stdout，stderr)，以使用合適的器件。

　　(4)調(diào)用main()。

　　(5)調(diào)用exit()。main()的返回代碼作為exit()的輸入。

　　該方式使用串口比較簡單，但是占用的存儲資源比較大，編譯時間也較長。

　2 串口直接讀寫寄存器方式編程

　　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(biāo)準(zhǔn)C語言寫法，占用程序空間比較大。NiosⅡ處理器的啟動可采用2種方式：自動初始化和用戶自定義初始化。ANSI C標(biāo)準(zhǔn)定義應(yīng)用程序可以通過調(diào)用main()來開始執(zhí)行。在調(diào)用main()之前，應(yīng)用程序假定運(yùn)行環(huán)境和所有的服務(wù)系統(tǒng)都被初始化并準(zhǔn)備運(yùn)行。初始化可以被硬件抽象層(HAL)系統(tǒng)庫自動執(zhí)行。程序員不需要考慮系統(tǒng)的輸出設(shè)備以及如何初始化每一個外設(shè)，HAL會自動初始化整個系統(tǒng)。

　　另外，ANSI C標(biāo)準(zhǔn)也提供了一個可變的入口點(diǎn)程序，以避免自動初始化。ANSI C標(biāo)準(zhǔn)還定義程序員能手動初始化任何所用的硬件。alt_ main()函數(shù)提供了一個獨(dú)立式的編程環(huán)境，能夠完全控制系統(tǒng)的初始化。獨(dú)立式編程環(huán)境可以使程序員手動編寫初始化系統(tǒng)的代碼。

　　HAL提供的系統(tǒng)初始化代碼按以下啟動順序運(yùn)行：

　　(1)啟動指令和數(shù)據(jù)高速緩沖存儲器;

　　(2)配置堆棧;

　　(3)配置全局指針;

　　(4)通過鏈接器提供的_bss_start和_bss_end來零初始化BSS層，_bss_start和_bss_end是開始和結(jié)束BSS的命令;

　　(5)如果當(dāng)前系統(tǒng)沒有啟動下載器，就復(fù)制.rwdata，.rodata或者剩下的部分到RAM;

　　(6)調(diào)用alt_main()。

　　在NiosⅡIDE工程中，只需簡單定義alt_main()就可以實現(xiàn)用戶的啟動順序，而且能夠選擇HAL的服務(wù)程序。如果應(yīng)用程序需要一個alt_ main()入口點(diǎn)程序，可以復(fù)制默認(rèn)的執(zhí)行作為開始點(diǎn)，根據(jù)要求來定制它。

　　使用獨(dú)立式編程環(huán)境會增加NiosⅡ程序編寫的復(fù)雜性。獨(dú)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(shè)和驅(qū)動編寫都非常熟悉才行。在NiosⅡIDE中也可以通過某些選項來減小HAL系統(tǒng)庫容量，從而達(dá)到減小代碼量的目的，比使用獨(dú)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)可采用查詢和中斷方式，中斷方式要更好一些。

　　查詢方式發(fā)送子程序代碼如下：

　　查詢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)送只能在一個中斷函數(shù)內(nèi)。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(diào)試

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

　　所以，如果用NIOS IDE來觀察發(fā)送的數(shù)據(jù)，就不要用其他的串口調(diào)試工具，如果在編譯之前就打開了其他的串口偵聽器，編譯鏈接的時候就會出現(xiàn)上述的錯誤。而在程序編譯鏈接后再去打開其他的串口偵聽器，串口就會因為nios2-terminal.exe占用而無法打開。解決的方法，如果想用NIOS IDE觀察的話就不要事先打開其他的串口調(diào)試工具。而如果想用其他的串口調(diào)試工具來觀察數(shù)據(jù)，通過USB_BLASTER將數(shù)據(jù)下載到板子后，刪除任務(wù)管理器中的nios2_terminal.exe，然后打開串口調(diào)試工具。如果程序沒有問題，運(yùn)行后就可以看到數(shù)據(jù)。

　　3 結(jié)果與討論

　　為證明以上程序的可運(yùn)用性，特別制作了電路來驗證，芯片使用EP3C40，PC端使用串口調(diào)試助手，波特率為19 200 b/s，8位數(shù)據(jù)位，1位停止位，無校驗位。實驗結(jié)果如圖2所示。

經(jīng)實驗證明，該方法簡單可靠，可以生成比較小的代碼。

　　4 結(jié)語

　　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)實際運(yùn)用，效果良好，具有一定的參考意義。