学会Zynq（24）UART控制器简介

本文简单介绍Zynq中的UART控制器，重点放在编程所需了解的知识。很多功能使用库函数可以快速配置，因此没必要仔细了解每个寄存器是干什么的这种问题，应把精力放在UART的特性、工作原理和可实现功能方面。

---

UART控制器

Zynq中的UART控制器是一个全双工异步收发器，支持各种可编程的波特率和I/O信号格式，能够自动生成奇偶校验，支持多主检测模式。

UART操作由配置和模式寄存器控制。采用独立的Rx和Tx数据路径，每个路径包含一个64字节的FIFO。控制器对Tx和Rx FIFO中的数据进行串并转换操作，还有一个模式开关，支持RxD和TxD信号的各种回环配置。FIFO的中断标志支持轮询处理或中断驱动处理两种方式。程序中我们通过Rx和Tx的数据端口寄存器来读写数据字节。

Zynq内部有两个UART控制器，UART0和UART1，都支持如下特性：

• 可编程波特率发生器；
• 64字节的接收和发送FIFO；
• 可编程的串口协议，6、7、8位的数据位；1、1.5、2位的停止位；奇校验、偶校验、无校验等；
• 奇偶校验检测、帧错误检测、溢出错误检测；
• 生成换行符；
• 生成中断；
• RxD和TxD模式，使用模式开关选择Normal、echo或诊断回环；
• 将UART0和UART1回环；
• 调制解调控制信号CTS、RTS、DSR、DTR、RI和DCD，仅在EMIO接口上可用。

---

UART波特率发生器

UART的模块框图如下所示：

波特率发生器为接收机和发射机提供波特率时钟。下表给出了一些串口时钟、波特率和错误率之间的关系。

---

发送FIFO与数据流

我们通过向TxFIFO寄存器写值来把数据加载到TxFIFO中。TxFIFO有空标志，FIFO中有数据时此标志无效。当TxFIFO进入完全中断状态（TFULL）时，则表明FIFO已满。此时再执行写操作，会触发溢出，数据不会加载到TxFIFO中。TxFIFO几乎满标志（TNFULL）表示FIFO中只有一个字节的空闲空间。我们可以设置门限触发器（TTRIG），当FIFO中的字节达到此值时会触发TTRIG（图示见下小节）。

传输模块从TxFIFO中移出并行数据，将其加载到发射机移位寄存器中，实现串行化。在波特率时钟的下降沿传输数据，先传LSB，如下图：

---

接收FIFO与数据捕获

RxFIFO存储接收器串行移位寄存器收到的数据。RxFIFO也有与TxFIFO功能类似的空标志、完全中断状态RFUL、门限触发器RTRIG。几种标志和中断的示意如下图：

接收时，UART不断地对RxD信号进行过采样，当采样检测到一个由高到低的转换时，便将其视作起始位的开始。在波特率时钟周期的一半时，再进行三次采样，如果仍然时低电平，则认为这是一个有效的起始位。示意如下，下图是16倍的过采样：

确定了一个有效的起始位后，重新同步接收器的波特率时钟，以便在每一位的中心位置对传入的RxD信号进行采样（防止滑码），示意如下图。如果您编写过Verilog的UART收发程序，对这个处理方法应该不会感到陌生。

当确定了一个串行数据位的值后，将其转移到接收移位寄存器中。当组装好一个完整的字符后，移位寄存器中的内容被推送到RxFIFO中。

---

接收器错误检测

UART控制器提供了四种错误检测机制。

1. 奇偶检验错误。每接收一个字符时，接收器根据UART计算接收数据位的奇偶校验值，将它与接收到的奇偶检验位进行比较。如果值不同，则奇偶校验错误标志位置1，并产生中断。
2. 帧错误。当接收器在帧末没有接收到有效的停止位时，帧错误标志位置1，产生中断。
3. 溢出错误。当接收到一个字符时，UART控制器检测RxFIFO是否有空间。如果有则将该字符写入RxFIFO；如果RxFIFO已满则等待；如果又检测到了下一个数据的起始位，且RxFIFO仍然是满的，那么等待的数据将丢失，同时溢出标志位置1，产生中断。
4. 超时机制。接收器有一个10位的递减计数器，每当在RxD上收到一个新的起始位或者程序向专门的标志位写入1重置时，计数器都会重新加载并倒数。当计数器减到0时认定发生超时，相应标志位置1（此时程序中应重置计数器），产生中断。

上面介绍的4种中断都不是必须的，我们可以屏蔽这些中断，也可以禁用超时机制。

---

I/O模式选择

模式开关控制着RxD和TxD信号在控制器内部的路由。有4种工作模式，如下图所示：

下面简单介绍下各模式的功能：

• 正常模式：这是标准的UART工作模式，TxD和RxD有独立的路径。
• 自动echo模式：Echo模式仍然会接收RxD上的数据，但模式开关将数据路由到接收器和TxD引脚，控制器不能用发射机来发射数据。
• 本地回环模式：这个模式内部信号不与RxD和TxD连接，发射的数据被回环到接收器中。
• 远程回环模式：此模式将RxD与TxD连接，控制器无法在TxD上发送任何内容，也不能在RxD上接收任何内容。

---

程序设计方法

如果我们的需求只是用串口打印一些调试信息，那么直接使用printf或xil_printf函数就足够了，无需对串口做任何配置。如果我们需要用UART完成某些特定功能，那么就有必要细致了解UART的程序设计方法。本文只简单描述一下设计思路，后面的文章给出实例。

1. UART启动

UART的启动顺序如下：

1. 复位控制器；
2. 配置I/O信号路由。Rx/Tx可以路由到MIO或EMIO，只有EMIO可以使用调制解调控制信号；
3. 配置UART参考时钟UART_Ref_Clk；
4. 配置控制器功能；
5. 配置中断，我们可通过中断来管理RxFIFO和TxFIFO；
6. 配置调制解调控制（可选）；
7. 管理发送和接收的数据，可以采用轮询或中断驱动处理两种方式。

2. 配置控制器函数

控制器功能主要配置字符帧、波特率、FIFO触发器等级、Rx超时机制，并启用控制器。重置控制器后必须要
配置所有这些参数。步骤如下：

1. 配置UART字符帧，数据位长度、校验位、停止位、I/O模式等；
2. 配置波特率；
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。

3. 发送数据

程序中我们可以使用轮询和中断两种方式控制到TxFIFO和RxFIFO的数据流。这两个FIFO大小为64个字节，因此当TxFIFO的空标志有效时，我们可以直接向其写入64个字节，无需检查TxFIFO的状态。实际上当发送器处于活跃状态时，可写入的字节数要超过64个字节，因为控制器同时也在移出数据，将其串行化转移到TxD信号上。

使用轮询方法的数据发送流程如下：

1. 检查TxFIFO是否为空；
2. 向TxFIFO写入数据，可写入64个字节；
3. 写入更多数据。我们可以等TxFIFO空了后再写64个字节，即执行第2步；也可以检测TxFIFO是否有空间，即不停的读取TFUL标志和写单个字节的数据。

使用中断方法的数据发送流程如下：

1. 禁用TxFIFO空中断；
2. 向TxFIFO写64个字节的数据；
3. 检测TxFIFO是否有空间，不停的读取TFUL标志和写单个字节的数据；
4. 重复步骤2-3，直到TxFIFO已满；
5. 使能TxFIFO空中断；
6. 等待，直到TxFIFO为空，然后从步骤1重新开始；

4. 接收数据

使用轮询方法的数据接收流程如下：

1. 等待，直到RxFIFO中的数据数量达到触发等级；
2. 从RxFIFO中读取数据；
3. 重复步骤2直到FIFO空；
4. 发生Rx超时中断时将其重置。

使用中断方法的数据接收流程如下：

1. 使能中断；
2. 等待，直到RxFIFO中的数据数量达到触发等级或者发生超时；
3. 从RxFIFO中读取数据；
4. 重复步骤2-3直到FIFO空；
5. 清除中断标志。

---

UART的I/O接口

UART的RxD和TxD信号可以路由到多组MIO管脚之一或EMIO接口。所有调制解调流控制信号只能路由到EMIO接口，再MIO管脚上不可用。下表给出了所有UART信号：

我们在Vivado中搭建硬件环境时，也要选择使用UART0还是UART1，以及它们的信号路由到的MIO管脚。