学习内容

本文主要介绍关于ZYNQ芯片的串口中断功能，并编写相关读写测试代码，完成串口中断的读写测试。

开发环境

vivado 18.3&SDK，PYNQ-Z2开发板。

UART控制器

简介

UART控制器是一个全双工异步接收和发送，支持可编程波特率和I/O信号格式。 该控制器可实现奇偶校验自动生成和多主检测模式。UART操作由配置和模式寄存器控制。

FIFO、调制解调器信号和其他控制器功能的状态是使用状态、中断状态和调制解调器状态寄存器读取的。UART控制器有独立的RX和TX数据路径。每个路径包括一个64字节的FIFO。 控制器TX和RX FIFO中的数据进行串行化和反串行化，并包括一个模式开关，以支持RXD和TXD信号的各种环回配置。（RXD和TXD使用模式：正常模式、各种环回诊断测试模式）

FIFO中断状态位支持轮询或中断驱动的处理程序。 软件使用RX和TX数据端口寄存器读取和写入数据字节。当在类似于调制解调器的

应用程序中使用UART时，调制解调器控制模块检测并生成调制解调器握手信号，并且还根据握手协议控制接收和发送器路径。（调制解调器控制信号:CTS, RTS, DSR, DTR, RI和DCD只有在EMIO接口可用）

系统框图

UART控制器的系统框图如下图所示：

在图中，SLCR寄存器（系统级控制寄存器(SLCR)由用于控制PS行为的各种寄存器组成。这些寄存器可以通过中央互连使用加载和存储指令访问。）包括控制位用于UART时钟，复位和MIO-EMIO信号映射。软件可以使用APB 32位的从接口访问UART控制器寄存器。每个控制器的IRQ（中断号为59,82）连接到PS中断控制器，并连接到PL。UART控制器由参考时钟（ UART REF_CLK）驱动，同时控制器也需要连接APB 总线时钟（ CPU_1x clock）， UART REF_CLK 和 CPU_1x clock 都是来自于 PS 时钟子系统。

内部框图

UART控制器内部框图如下图所示。

由上图可知，UART控制器使用PS AXI interconnect 进行数据交互，通过APB Slave接口来接收PS端口的配置信息和一些数据信息。假设要发送数据，则系统先将发生的字符串缓存到TxFIFO下，然后经Transmitter模块实现并转串，如果工作在正常模式下，则数据之间接到MIO/EMIO引脚上，正常向接收设备发送；假设要接收其他设备传来的串口信息，则首先通过串口接收引脚接收串行数据，然后经过receiver模块实现串转并，转换过后存入到RxFIFO下，经过APB从接口传输到PS端，即可对接收数据进行处理。

通过控制状态寄存器可以对UART控制器进行控制，而这些引脚只能连接到EMIO。UART控制器内部包括一个中断模块，所以可以和其他模块一样正常接收到来自系统的中断信号。对于UART的参考时钟在控制器内部首先进行了一个八分频，接着再产生波特率时钟。

Transmit FIFO

Transmit FIFO (Tx FIFO)存储由APB从接口写入的数据，发送模块收到FIFO中的数据后删除FIFO的数据然后进行串并转换，并装入其移位寄存器。TxFIFO的最大数据宽度为8位。数据通过写入TxFIFO寄存器加载到TxFIFO。

当数据加载到TxFIFO时，TxFIFO空标志将被清除并保持在这个Low状态，直到TxFIFO中的最后一个字符被删除并加载到发送器移位寄存器中。TxFIFO满中断状态(TFULL)表明TxFIFO已经完全写满了，并且阻止数据被写入到TxFIFO中。如果对TxFIFO执行另一个APB写入操作，则触发溢出，写入数据不会加载到TxFIFO中。

发送 FIFO接近满标志(TNFULL)表明在FIFO中没有足够的空间来进行一次程序大小的写入，这是由模式寄存器的WSIZE位控制的。TxFIFO接近满标志(TNFULL)表示TxFIFO中只有字节空闲。

可以在TxFIFO填充级别上设置一个阈值触发器(TTRIG)。发射器触发寄存器可以用来设置这个值，这样当TxFIFO填充深度达到设定的阈值时触发可以设置。

Receiver FIFO

Receiver FIFO和Transmit FIFO类似。RxFIFO存储由接收器串行移位寄存器接收的数据。RxFIFO的最大数据宽度是8位。当数据加载到RxFIFO时，RxFIFO空标志被清除，并且这种状态保持为低，直到RxFIFO中的所有数据通过APB接口传输完毕。空标志重新置位为高，如果接着读FIFO的话，则会从空的RxFIFO读取返回0。

RxFIFO满状态(Chnl_int_sts_reg0 [RFUL]和Channel_sts_reg0 [RFUL]位)表明RxFIFO满了，阻止数据被加载到RxFIFO。同时也可以在RxFIFO上设置一个阈值触发器(RTRIG)。接收器触发级别寄存器(Rcvr_FIFO_trigger_level0)可以用来设置这个值，取值范围是1 ~ 63。

I / O模式切换

这里的模式切换即为内部框图中的 Mode Switch 模块，如下图所示。

该模式由mode_reg0 [CHMODE]寄存器设置控制，总共分为四种模式，分别

为：正常模式（ Normal Mode）、自动回音模式（ Automatic Echo Mode）、本地环回模式（ Local Loopback Mode）和远程环回模式（ Remote Loopback Mode）。

正常模式（ Normal Mode） ：用于标准UART操作，就是发送接收功能。

自动回音模式（ Automatic Echo Mode） ：Automatic Echo Mode模式在RxD上接收数据，模式开关将数据连接到接收端和UARTx_TxD。而PS的TXD端口的数据无法正常发出。

本地环回模式（ Local Loopback Mode） ：本地环回模式不连接到RxD或TxD引脚，而是直接把PS发送的数据传输到PS的接收端。

远程环回模式（ Remote Loopback Mode） ：远程环回模式将RxD信号连接到TxD信号。在这种模式下，控制器不能在TxD上发送任何内容，也不能在RxD上接收任何内容。

UART启动顺序

UART 的启动顺序如下：

1. 复位UART控制器，在PS进行系统复位时进行控制器的复位。
2. 配置 IO 引脚信号。
3. 配置 UART 参考时钟（可以保护默认）。
4. 配置控制器功能（ UART 控制器初始化）。
5. 配置中断，通过中断来管理 RxFIFO 和 TxFIFO。
6. 配置串口模式控制（可选）。
7. 管理发送和接收的数据，采用轮询或中断驱动处理两种方式。

配置控制器功能步骤

在UART控制器中，控制器可以配置字符帧、波特率、FIFO触发级别、Rx超时机制，并使能控制器。所有步骤都必须在复位之后。

配置控制器的功能步骤如下：

1. 配置 UART 数据帧格式。 数据位长度、停止位、校验方式、 IO 模式等。
2. 设置波特率。
3. 设置 RxFIFO 触发器等级，可以选择启用或禁用该功能。
4. 使能 UART 控制器。
5. 配置接收器的超时机制，可以选择启用或禁用该功能。

发送数据步骤

编写软件程序时，可以通过使用轮训和中断的方式控制RxFIFO和TxFIFO中的数据流。

使用轮询方式发送数据顺序

1. 检查TxFIFO是否为空。直到uart.Channel sts rego[TEMPTY] =1，执行后续步骤。
2. 用数据填充TxFIFO。向uart.TX_RX_FIFO0寄存器写入64字节的数据。
3. 向TxFIFO写入数据。有两种方法:方法一： 可以等待 TxFIFO 为空之后再写入 64 个字节，即执行第 2 步；方法一： 可以检测 TxFIFO 是否写满，即不停的读取 TFUL 标志和写单个字节的数据。

使用中断方法发送数据的顺序

1. 禁用 TxFIFO 空状态中断。
2. 写入数据到TxFIFO中。
3. 检测TxFIFO是否还有足够的空间容纳数据。
4. 重复2和3操作。
5. 使能中断。

1. 等待TxFIFO为空，然后从步骤 1 重新开始。

接收数据步骤

使用轮询方式发送数据顺序

1. 等待RxFIFO被填满到触发器级别。
2. 从RxFIFO读取数据。
3. 重复步骤2，直到FIFO为空。
4. 设置Rx超时中断状态位时清除。

使用中断方法发送数据顺序

1. 使能中断。
2. 等待RxFIFO被填满到触发级别或Rx超时。
3. 从RxFIFO读取数据。
4. 重复步骤2和3，直到FIFO为空。

1. 如果设置了中断状态位，则清除中断状态位。

系统框图

这里仅仅使用了UART部分，所以可以利用前文的helloworld工程，不需要进行特殊的配置。通过串口的中断功能把发送的数据再接收到PS端进行一个回环显示。

硬件平台搭建

新建工程，创建 block design。添加ZYNQ7 ip，根据本次工程需要对IP进行配置。勾选本次工程使用的uart资源

将ZYNQ无用资源进行取消勾选：

硬件系统构建完成如下：

然后我们进行generate output product 然后生成HDL封装。这里只用到了UART，是MIO引脚，所以不需要进行管脚分配。点击导出硬件资源（可以不包含bit流文件，因为只用到了PS资源），接着launch SDK。

SDK软件部分

打开SDK后，新建application project。

在system.mss中可以打开相关参考文档辅助设计。

这里使用串口中断可以参考赛灵思提供的例程代码进行修改设计：

这里导入uart_intr_example例程模板在main.c中输入以下代码：

#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初试化函数
  uart_init();
  xil_printf("intr\n");
  //中断初始化
  intr_init(&ScuGic_Inst,&Uart_Inst);
  while(1);
  return 0;
}
//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);
  //对uart控制器进行初始化
  XUartPs_CfgInitialize(&Uart_Inst, UartPs_Cfg, UartPs_Cfg->BaseAddress);
  //检测硬件搭建是否正确
  Status = XUartPs_SelfTest(&Uart_Inst);
  if (Status != XST_SUCCESS) {
    return XST_FAILURE;
  }
  //设置波特率
  XUartPs_SetBaudRate(&Uart_Inst,115200);
  //设置RXFIFO触发阈值
  XUartPs_SetFifoThreshold(&Uart_Inst,1);
  //设置操作模式
  XUartPs_SetOperMode(&Uart_Inst, XUARTPS_OPER_MODE_NORMAL);
  return XST_SUCCESS;
}
//中断初始化
void intr_init(XScuGic *intr, XUartPs *uart){
  XScuGic_Config *IntcConfig;
  //中断控制器初始化
  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();
  //为中断设置中断处理函数
  XScuGic_Connect(intr, UART_INT_IRQ_ID,
            (Xil_ExceptionHandler) UartIntr_Handler,
            (void *) uart);
  //设置触发类型
  XUartPs_SetInterruptMask(uart, XUARTPS_IXR_RXOVR);
  //使能中断
  XScuGic_Enable(intr, UART_INT_IRQ_ID);
}
//中断处理函数
void UartIntr_Handler(void *call_back_ref){
  XUartPs *uartinst =(XUartPs *)call_back_ref;
  u32 read_data = 0;
  u32 intr_status;
  //读取中断ID寄存器
  intr_status = XUartPs_ReadReg(uartinst->Config.BaseAddress,
      XUARTPS_IMR_OFFSET);//读取掩码
  intr_status &= XUartPs_ReadReg(uartinst->Config.BaseAddress,
      XUARTPS_ISR_OFFSET);//读取状态
  if(intr_status & (u32)XUARTPS_IXR_RXOVR){
    read_data = XUartPs_RecvByte(XPAR_PS7_UART_0_BASEADDR);//接收发送的字节
    XUartPs_WriteReg(uartinst->Config.BaseAddress,XUARTPS_ISR_OFFSET,
        XUARTPS_IXR_RXOVR);//清除中断状态
  }
  //设置发送
  XUartPs_SendByte(XPAR_PS7_UART_0_BASEADDR,read_data);
}

部分代码讲解

在整体的代码设计中，代码思路如下：

1. 初始化UART控制器
2. 初始化UART中断
3. 编写中断服务函数

对于初始化UART部分，在#include "xuartps.h" 头文件中可以找到很多配置的函数，调用即可对uart的波特率，中断触发阈值等参数进行设置。

对于中断的配置可以类比GPIO的中断配置函数，先在初始化SGIC，然后进行异常初始化，完成注册异常并使能，接着需要连接SGIC和UART，最后设置中断类型并使能完成中断整体操作配置。

在中断服务函数中，实现的功能为回环读写，所以要在中断函数中进行检测中断类型，当进入相应的中断时进行数据的读取，读取到上位机的发送数据，然后清除中断标志，最后把读到的数据进行发送。

Reference

1. 正点原子视频教程
2. UG585