UART寄存器介绍与中断操作详解

简介

UART 核提供了一个 Avalon 存储器映射（Avalon-MM）的接口，这个接口使得 Avalon-MM的主要周边设备（例如 Nios II 处理器）通过读和写数据、控制寄存器，就能实现和 UART 核通信的任务。所以在简介部分，我们会对常用的寄存器进行详细的介绍。

上图为一个典型系统中的 UART 核，它有两个用户可见的部分：

l 可通过 Avalon-MM 从接口访问的寄存器

l RXD, TXD, CTS, and RTS 等 RS-232 接口信号

图中可以看到，在 RXD 端口与 rxdata 寄存器之间、TXD 与 txdata 寄存器之间存在着移位寄存器。在 Qsys ，我们只讲解UART 核的工作原理，以及该核的使用方法。前面提到，我们是通过读、写相关的寄存器，实现的串口通信功能。那么接下来，我们将讲解主要的寄存器——状态寄存器、控制寄存器、数据寄存器。其中状态、控制寄存器与配置 IRQ（中断请求）相关。

寄存器相关简介

下图为 UART 核的寄存器信息表，其中数据寄存器（rxdata、txdata）、状态寄存器（status）、控制寄存器（control）是重点，括号部分的注释内容在表的下部。

（1）这些位可能不存在，取决于数据位宽的硬件选项。如果它们不存在，读出的值为 0。且如果对它们进行写操作，则没有意义。

（2）给 status（状态）寄存器写 0 将清零 dcts, e, toe, roe, brk, fe, and pe 等位。

（3）这些寄存器可能不存在，取决于硬件配置选项。如果寄存器不存在，对它进行读操作会返回未定义的值，且进行写操作则无意义。

rxdata 寄存器

rxdata 寄存器用于存储 RXD 输入引脚接收的数据。当一个新的数据被 RXD 输入引脚完全接受后，会被传输并存储到 rxdata 寄存器，此时 status 寄存器（状态寄存器）的 rrdy 位会被置1。当 rxdata 寄存器中的值被读了之后，status 寄存器中的 rrdy 位会被清零。当 rrdy 位为 1 时，又有一个新的字符传输给 rxdata 寄存器，则会产生溢出错误，状态寄存器的 ROE 位被置 1。 不管前一个字符是否被读出，新接收到的字符总是会被自动保存到rxdata 寄存器。另外，对 rxdata 寄存器进行写操作无意义。

txdata 寄存器

Avalon 主控制器把要发送的字符写入到 txdata 寄存器中。当一个字符写入 txdata 寄存时，状态寄存器（status 寄存器）的 TRDY 位会被置 0；当字符从 txdata 寄存器传输到发送移位寄存器时，状态寄存器（status 寄存器）的TRDY 位被置为 1。当 TRDY 位为 0 时，将字符写入txdata 寄存器的结果是未定义的。读 txdata 返回未定义的值。

status 寄存器（状态寄存器）

状态寄存器（status 寄存器）由可以反应 UART 核状态情况的独立位组成。每个状态位和对应的控制寄存器中，能使能中断的位相联系。任何时候都可以读取状态寄存器。且读操作不会改变寄存器任何位的值。给状态寄存器写 0 ，会清零 DCTS、E、TOE、ROE、BRK、FE 和 PE位。状态寄存器的位相关信息在下表中列出：

Control 寄存器（控制寄存器）

控制寄存器由独立的各个位构成，每个位控制 UART 核操作的一个方面。我们在任何时间都可以读控制寄存器。每一个控制寄存器中与状态寄存器对应的位，都可以使能一个 IRQ。当控制寄存器中与状态寄存器对应的位的值都为 1 时，就会触发一个 IRQ。

divisor 寄存器（可选）

divisor 寄存器中的值是用来产生波特率时钟的。有效的波特率由这个公式决定：

波特率=（时钟频率）/（divisor+1）

divisor 寄存器是一种可选的硬件功能。如果没有使能 Baud Rate Can Be Changed By Software （波特率能被软件改变）这个选项，将不存在 divisor 寄存器。这种情况下，写 divisor 寄存器没有作用，读它返回一个未定义的值。

endofpacket 寄存器（可选）

endofpacket 寄存器中的值决定了可变长度 DMA 传输的结束字符。复位后，默认值是 0， 是 ASCII 码中的空值字符（�）。endofpacket 寄存器是一种可选的硬件功能。如果没有使能 Include end-of-packet register这个选项，将不存在 endofpacket 寄存器。这种情况下，写endofpacket 寄存器没有作用，读它返回一个未定义的值。

中断操作

UART 核输出一个单独的 IRQ 信号给 Avalon-MM 接口。而 Avalon-MM 接口能连到系统中的任意一个主设备，例如 Nios II 处理器。主设备在对 status 寄存器进行读操作之后，才能确定中断产生的原因。 每一个中断在 status 寄存器有相应的位，并在 control 寄存器中有一个使能位。当一个中断发生时，相关的 status 位置 1，直到它被回应了（acknowledged）。当任意一个 status 位置1，且相应的中断使能位是 1 时触发 IRQ。一个主设备可以通过清零 status 寄存器来回应（acknowledge）IRQ。复位的时候，所有的中断使能位置 0。因此，核无法触发 IRQ，直到主设备使一个或多个中断使能位置 1。

这里总结一下：一个可以触发的中断与它相应的 status 和 control（中断使能）位有关。

硬件配置内容

如图为 UART 核的配置界面：

UART 核有 Basic settings（基础设置）和 Baud rate（波特率）这两个可以设置的部分。

1.Parity（奇偶校验）

Partity 一栏有 None（无）、Even（偶）、Odd（奇）这三个选项。这个设置用来确定 UART是否发送有奇偶校验的字符，以及它是否期望接收到的有奇偶校验的字符。当 Parity 设为 None 时，发送逻辑发送不包含校验位的数据，且接收逻辑设定接收到的数据也不包含校验位。status 寄存器中的 PE（校验错误）位无效，其数值始终为0。当 Parity 设为 Odd 或 Even 时，发送逻辑计算并插入所需的校验位到将要输出的 TXD 数据流，且接收逻辑检验接收到的 RXD 位流中的校验位。如果接收器发现结果不正确，则 status 寄存器中的 PE位会被置 1.当 Parity 设置为 Even（偶） 时，字符中有偶数个 1 ，则校验位为 0；同样，当 Parity设为 Odd 时，若字符中有奇数个 1 ，则校验位为 0。

2.Data bits（数据位）

Data bits 一栏有7、8、9这三个可以设置的选项。这个设置决定txdata、rxdata、endofpacket这三个寄存器的位宽。

3. Stop bits（停止位）

Stop bits 一栏有 7、8、9 这三个可以设置的选项。这个设置决定了核在传输每一个字符时，是有 1 还是 2 个停止位。UART 核总是在接收到第一个停止位的时候，就停止接收操作，忽略掉附带的停止位，无论什么设置。

4. Synchronizer Stages 

这个设置与寄存器的长度以及亚稳态事件相关，这里一般使用默认设置即可。

5. Include CTS/RTS 

选择是否使用串口的“流控”功能，一般很少使用。 

6. Include end-of-packet 

选择是否设置数据流的结束标志（end-of-packet），一般很少使用。

7. Baud Rate（波特率设置）

UART 内核可实现 RS-232 标准中的任意波特率。波特率可配置为以下方式中的一种：

l 固定的波特率——波特率在系统生成时被确定，且不能通过 Avalon 从控制器端口改变它的值。

l 可变的波特率——基于 divisor 寄存器中存储的时钟分频值，波特率是可变的。主控制器通过向 divisor 寄存器中写入新值来改变波特率。

波特率的计算依赖于Avalon-MM接口提供的时钟频率。在硬件改变系统时钟频率，却没有重新生成UART核会导致错误的信号。 

Baud Rate设置决定了复位后的波特率。Baud Rate选项提供了标准的预设值。也允许用户输入任何非标准波特率。为了实现所需要的波特率，通常根据波特率计算时钟分频系数。 

波特率与分频系数的关系如下：

除数=int（（时钟频率）/（波特率）+ 0.5 ）

波特率=（时钟频率）/（除数 + 1 ）

当选择Fixed baud rate 时，UART 硬件中不再包括divisor寄存器。UART 硬件使用固定的波特率分频系数，且在系统生成后无法改变。这种情况下向地址偏移值4的地方写数据无作用，且读地址偏移值4的地址返回未定义的结果。当不选择Fixed baud rate 时，硬件中会在地址偏移值4生成一个16 位的divisor寄存器。divisor寄存器是可写的，所以可以通过向分频寄存器写入新值来改变波特率。