nios_ii之uart串口通信实验 []

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|  V1.0  |  2020-07-03  |  gingko  |  初次建立  | 

===== 实验二十：NIOSII之UART串口通信实验 =====

==== 一、 实验目的与意义 ====
  - 了解UART接口模块的工作原理。
  - 掌握UART接口模块的使用方法。
  - 掌握QuartusII的使用方法。
==== 二、 实验设备及平台 ====

  - iCore4 双核心板[[https://item.taobao.com/item.htm?spm=a1z10.1-c-s.w4004-22598974120.15.5923532fsFrHiE&id=551864196684|点击购买]]。
  - Blaster（或相同功能）仿真器[[https://item.taobao.com/item.htm?id=554869837940|点击购买]]。
  - JLINK（或相同功能）仿真器。
  - Micro USB线缆。
  - Quartus开发平台。
  - 电脑一台。
==== 三、 硬件连接 ====

{{ :icore4:icore4_fpga_20_0.png?direct |}}
序号与引脚对应表
|序号	|对应端口名称	|对应引脚|
|1	|Uart_rxd	|PIN_U7|
|2	|Uart_txd	|PIN_Y7|
|3	|gnd	|--|

==== 四、 实验内容 ====

=== 一、硬件部分 ===


1、首先打开实验十八里面建立的工程（所有路径保持不变），如图所示：
{{ :icore4:icore4_fpga_20_1.png?direct |图20-1}}
2、下面添加UART接口模块，选择Tools->Qsys，如图所示：
{{ :icore4:icore4_fpga_20_2.png?direct |图20-2}}
3、打开已有的noisII工程，如图所示：
{{ :icore4:icore4_fpga_20_3.png?direct |图20-3}}
{{ :icore4:icore4_fpga_20_4.png?direct |图20-4}}
4、进入后界面如图所示：
{{ :icore4:icore4_fpga_20_5.png?direct |图20-5}}
5、在界面左侧选择Interface Protocols->Serial->Serial->UART(RS-232 serial port),然后添加。
{{ :icore4:icore4_fpga_20_6.png?direct |图20-6}}
6、在此界面参数设置如图所示，然后点击Finish:
{{ :icore4:icore4_fpga_20_7.png?direct |图20-7}}
7、添加成功后界面如图所示：
{{ :icore4:icore4_fpga_20_8.png?direct |图20-8}}
8、对uart模块进行重命名为uart，如图所示：
{{ :icore4:icore4_fpga_20_9.png?direct |图20-9}}
9、双击uart模块下面external_connection后面的Double-click to改为uart如图所示。
{{ :icore4:icore4_fpga_20_10.png?direct |图20-10}}
10、下面开始连接时钟线，右击uart下面的clk与clk_0连线：
{{ :icore4:icore4_fpga_20_11.png?direct |图20-11}}
11、连接复位线，如图所示。
{{ :icore4:icore4_fpga_20_12.png?direct |图20-12}}
12、连接信号线s1，如图所示：
{{ :icore4:icore4_fpga_20_13.png?direct |图20-13}}
13、连接中断信号线，如图所示：
{{ :icore4:icore4_fpga_20_14.png?direct |图20-14}}
14、程序代码较大，修改内存大小，如图所示：
{{ :icore4:icore4_fpga_20_15.png?direct |图20-15}}
{{ :icore4:icore4_fpga_20_16.png?direct |图20-16}}
15、点击System->Assign Base Address重新分配基地址，如图所示：
{{ :icore4:icore4_fpga_20_17.png?direct |图20-17}}
16、选择菜单栏中的Generate->Generate,重新编译：
{{ :icore4:icore4_fpga_20_18.png?direct |图20-18}}
17、点击Generate开始编译，如图所示：
{{ :icore4:icore4_fpga_20_19.png?direct |图20-19}}
18、直接点击关闭即可：
{{ :icore4:icore4_fpga_20_20.png?direct |图20-20}}
19、关闭 Qsys 窗口，回到 Quartus 主界面，如图所示：
{{ :icore4:icore4_fpga_20_21.png?direct |图20-21}}
20、在此界面右击选择 Update Symbol or Block…
{{ :icore4:icore4_fpga_20_22.png?direct |图20-22}}
21、直接点击 OK 即可。
{{ :icore4:icore4_fpga_20_23.png?direct |图20-23}}
22、界面如图所示：
{{ :icore4:icore4_fpga_20_24.png?direct |图20-24}}
23、右击 ledcorel 模块生成引脚，如图所示 ：
{{ :icore4:icore4_fpga_20_25.png?direct |图20-25}}
24、为串口模块端口分配引脚(建议用 tcl 文件导入的方法)，如图所示 ：
{{ :icore4:icore4_fpga_20_26.png?direct |图20-26}}
25、保存并编译工程，编译成功后硬件实现部分就完成了， 下载到 FPGA 中， 下面开 始软件部分的实现。

=== 二、软件部分 ===

1、点击菜单栏中的 Tool->Nios II Software Build Tools for Eclipse，打开 NIOSII 软件，选 择正确的路径（与 Quartus 工程路径相同），点击 OK。
{{ :icore4:icore4_fpga_20_27.png?direct |图20-27}}
2、选择 Generate BSP，如图所示：
{{ :icore4:icore4_fpga_20_28.png?direct |图20-28}}
3、右击 led 选择 Update with Modified Files，如图所示：
{{ :icore4:icore4_fpga_20_29.png?direct |图20-29}}
4、将以下代码写到 main.c 中。
<code c>
/*
* FILE                                : main.c
* DESCRIPTION                         : This file is main files.
* Author                              : XiaomaGee@Gmail.com
* Copyright                           :
*
* History
* --------------------
* Rev                                  : 0.00
* Date                                 : 09/05/2012
*
* create.
* --------------------
*/
//-----------------Include files-------------------------//
#include "stdio.h"
#include "unistd.h"
#include "system.h"
#include "string.h"
#include "sys/alt_irq.h"

unsigned int receive_flag=0;
unsigned int receive_count=0;
unsigned char receive_buffer[200];
//----------------函数声明-----------------//
static int uart_send_byte(unsigned char data);
static void uart_send_string(unsigned int len, unsigned char *str);
static int uart_init(void);
static void uart_ISR(void *context);
static int set_baudrate(unsigned int baudrate);

typedef  struct {
			 volatile  unsigned  long  int DATA;
			 volatile  unsigned  long  int DIRECTION;
			 volatile  unsigned  long  int INTERRUPT_MASK;
			 volatile  unsigned  long  int EDGE_CAPTURE;
}PIO_T;

typedef struct
{
	union{
		struct{
			volatile unsigned long int RECEIVE_DATA       :8;
			volatile unsigned long int NC                 :24;
		}BITS;
		volatile unsigned long int WORD;
	}RXDATA;

	union{
		struct{
			volatile unsigned long int TRANSMIT_DATA      :8;
			volatile unsigned long int NC                 :24;
		}BITS;
		volatile unsigned long int WORD;
	}TXDATA;

	union{
		struct{
			volatile unsigned long int PE :1;
			volatile unsigned long int FE :1;
			volatile unsigned long int BRK :1;
			volatile unsigned long int ROE :1;
			volatile unsigned long int TOE :1;
			volatile unsigned long int TMT :1;
			volatile unsigned long int TRDY :1;
			volatile unsigned long int RRDY :1;
			volatile unsigned long int E :1;
			volatile unsigned long int NC :1;
			volatile unsigned long int DCTS :1;
			volatile unsigned long int CTS :1;
			volatile unsigned long int EOP :1;
			volatile unsigned long int NC1 :19;
		}BITS;
		volatile unsigned long int WORD;
	}STATUS;

	union{
		struct{
			volatile unsigned long int IPE :1;
			volatile unsigned long int IFE :1;
			volatile unsigned long int IBRK :1;
			volatile unsigned long int IROE :1;
			volatile unsigned long int ITOE :1;
			volatile unsigned long int ITMT :1;
			volatile unsigned long int ITRDY :1;
			volatile unsigned long int IRRDY :1;
			volatile unsigned long int IE :1;
			volatile unsigned long int TRBK :1;
			volatile unsigned long int IDCTS :1;
			volatile unsigned long int RTS :1;
			volatile unsigned long int IEOP :1;
			volatile unsigned long int NC :19;
		}BITS;
		volatile unsigned long int WORD;
	}CONTROL;
	union{
		struct{
			volatile unsigned long int BAUD_RATE_DIVISOR :16;
			volatile unsigned long int NC :16;
		}BITS;
		volatile unsigned int WORD;
	}DIVISOR;
}UART_ST;

#define LED		 ((PIO_T  *)(LED_BASE|1<<31))
#define UART         ((UART_ST *)(UART_BASE|1<<31))

//-----------------Function------------------------------//
int main()
{

	unsigned char buffer[30] = "Hello! I am iCore4!\n";
	uart_init();
	while (1) {
	/*蓝色led灯闪烁*/
	   LED->DATA = 1;
	   usleep(500000);
	   LED->DATA = 0;
	   usleep(500000);
	/*串口通信*/
		if(receive_flag){
			receive_flag = 0;//clear flags
			memset(buffer,0,50);// clear buffer
			strcpy(buffer,receive_buffer);//copy buffer
			uart_send_string(sizeof(buffer),buffer);
		}
		uart_send_string(sizeof(buffer),buffer);
		usleep(500000);
   }
   return 0;
}
/*
 * === FUNCTION =======================================================
 * Name                                : uart_send_byte
 * DESCRIPTION                         : 发送一个Byte
 * Author                              : XiaomaGee@Gmail.com
 * Copyright                           :
 *
 * History
 * --------------------
 * Rev                                  : 0.00
 * Date                                 : 06/05/2016
 *
 * create.
 * --------------------
 * 	=================================================================
 */
int uart_send_byte(unsigned char data)
{
	UART->TXDATA.BITS.TRANSMIT_DATA = data;
	while(!UART->STATUS.BITS.TRDY);

	return 0;
}

/*
 * === FUNCTION =======================================================
 * Name                                : uart_send_string
 * DESCRIPTION                         : 串口发送函数
 * Author                              : XiaomaGee@Gmail.com
 * Copyright                           :
 *
 * History
 * --------------------
 * Rev                                  : 0.00
 * Date                                 : 06/05/2016
 *
 * create.
 * --------------------
 * 	======================================================================
 */
void uart_send_string(unsigned int len, unsigned char *str)
{
	while(len--)
	{
		uart_send_byte(*str++);
	}
}

/*
 * === FUNCTION =======================================================
 * Name                                : uart_init
 * DESCRIPTION                         : 串口初始化
 * Author                              : XiaomaGee@Gmail.com
 * Copyright                           :
 *
 * History
 * --------------------
 * Rev                                  : 0.00
 * Date                                 : 06/05/2016
 *
 * create.
 * --------------------
 * 	=================================================================
 */
int uart_init(void)
{
	//将波特率设置为9600
	//set_baudrate(9600);

	//将控制寄存器IRRDY置1，在接收准备好后使能中断
	UART->CONTROL.BITS.IRRDY=1;
	//将状态寄存器全部清零
	UART->STATUS.WORD=0;
	//为UART注册中断
	alt_irq_register(UART_IRQ,NULL,uart_ISR);

	return 0;
}

/*
 * === FUNCTION =======================================================
 * Name                                : uart_ISR
 * DESCRIPTION                         : 串口中断服务函数
 * Author                              : XiaomaGee@Gmail.com
 * Copyright                           :
 *
 * History
 * --------------------
 * Rev                                  : 0.00
 * Date                                 : 06/05/2016
 *
 * create.
 * --------------------
 */
static void uart_ISR(void *context)
{
	//等待状态寄存器RRDY置1，当RRDY为1时表示接收的数据已经传输到RXDATA中
	while(!(UART->STATUS.BITS.RRDY));
	receive_buffer[receive_count++] = UART->RXDATA.BITS.RECEIVE_DATA;
	//接收的数据以换行符'\n'为结束标志，所以PC端的发送数据最后必须添加上'\n'
	if(receive_buffer[receive_count-1]=='\n'){
		receive_buffer[receive_count]='\0';
		receive_count=0;
		receive_flag=1;
	}
}
/*
 * === FUNCTION =======================================================
 * Name                                : set_baudrate
 * DESCRIPTION                         : 设置波特率
 * Author                              : XiaomaGee@Gmail.com
 * Copyright                           :
 *
 * History
 * --------------------
 * Rev                                  : 0.00
 * Date                                 : 06/05/2016
 *
 * create.
 * --------------------
 * 	=================================================================
 */
int set_baudrate(unsigned int baudrate)
{
	UART->DIVISOR.WORD=(unsigned int)(ALT_CPU_FREQ/baudrate+0.5);

	return 0;
}
</code>
5、右击 led 选择 Build Project 编译工程，如图所示:
{{ :icore4:icore4_fpga_20_30.png?direct |图20-30}}
6、编译成功后会出现 led build complete,如图所示:
{{ :icore4:icore4_fpga_20_31.png?direct |图20-31}}
7、右击 led 选择 Run As…->32 Nios II Hardware,如图所示:
{{ :icore4:icore4_fpga_20_32.png?direct |图20-32}}
8、可能出现如下窗口，在 Target Connection 中点击 Refresh Connections。
{{ :icore4:icore4_fpga_20_33.png?direct |图20-33}}
9、点击 RUN
{{ :icore4:icore4_fpga_20_34.png?direct |图20-34}}
10、成功后可以看到 FPGA 蓝色 LED 闪烁，串口助手上如下图所示：
{{ :icore4:icore4_fpga_20_35.png?direct |图20-35}}
==== 五、 实验现象 ====

  * FPGA 蓝色 LED 闪烁，串口助手（Commix）上显示收到的数据（Hello！ I am iCore4！）。
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