UART 模块的设计和“基于 UART 模块编写串口发送函数、串口接收中断服务函数“实践

1. 硬件 UART 模块的设计，硬件中断设计

        UART(Universal Asynchronous Receiver/Transmitter，UART)作为一种串行、异 步、全双工的通信协议，将所需传输的数据一位接一位地传输。 UART 传输采用 LSB 的方式，也就是先发送一个字节的低位，再发送高位。其特点是通信线路简单， 只要一对传输线就可以实现双向通信，大大降低了成本。

        异步通信以一个码流为传输单位，通信中两个码流间的时间间隔是不固定的，然而在 同一个码流中的两个相邻位间的时间间隔是固定的。通俗说是两个 UART 设备之间 通信的时候不需要时钟线，这时候就需要在两个UART设备上指定相同的传输速率， 以及空闲位、起始位、校验位、结束位，也就是遵循相同的协议。

        一般一个数据流由 10 位组成，包含 1 位起始位， 8 位有效数据位，无奇偶校验位， 1 位停止位。

         空闲位： UART 串口信号线上空闲时为高电平“1”。 起始位：信号线上空闲时为“1”，当检测到“0”即下降沿时，认为数据传输开始。 数据位：传输开始后传递的需要接收和发送的数据值，常用 8 位。 UART 协议支持 5 、 6 、 7 或者 8 位数据位。先发送低位，后发送高位。

奇偶校验位：校验数据位中“1”的个数是奇数个(奇校验)或偶数个(偶校验)。如果使用 奇偶校验功能，那么数据位的最后一位就是奇偶检验位。奇偶校验位一般是数据位的 最后一位，所以如果原来的数据位是 8 位，启用奇偶校验功能后数据位就是 7 位 了。

        停止位：数据传输结束，信号线恢复“1”状态，常用 1 位。 UART 协议支持 1 、 1.5 或者 2 位停止位。

        波特率：一秒内传输的码元数量。常见波特率为 9600 ， 115200 。 例如 9600 表示一秒内传输了 9600 个码元信息。两相调制下一个码元负载一个bit的 信息。所以我们使用的波特率=比特率，单位bps(bit per second)。 需要注意每发送一个 10 位的数据包，都只有 8 位有效数据位，那么对于9600bps，每秒最多只能传输 9600 / 10 = 960 个字节的有效数据。

        设计一个 UART 模块，要求可以发送字符，接收字符，并设计串口接收中断。 我们可以将 UART 模块作为一个 APB 外设，挂在 APB 总线上。那么就需要设计一 个 APB 接口来对寄存器进行读写操作。我们需要对每个 APB 接口分配一个地址，这 样才能通过译码电路区分开来不同的 APB 。在 config.h 文件中定了 9 路 APB 地 址，默认 GPIO 模块使用了 APB0 ，PWM 模块使用了 APB1 ， HPET 模块使用了 APB2 ， CONFREG 模块使用了 APB3 ，现在我们为 UART 模块分配 APB4 ，对应 地址为 bfe88000 ，如下所示，

不同于前面的功能模块设计，大多只要一个模块就可以完成。 UART 模块的复杂度 相对较高。

        上图是 UART 外设的结构框图，简单介绍一下框图中的 4 个子模块，

        UART 发送器： 按照字节读取发送 FIFO 中的数据； 将单字节数据转换为连续位； 向 tx 引脚发送一位一位发送数据，以波特生成器提供的固定频率计时；

        UART 接收器： 使用波特生成器生成的时钟从 rx 引脚按位接收串行的数据； 将一位一位的数据重新组合成为单个字节； 将接受到的数据以字节为单位写入接受 FIFO；

        UART FIFO： 临时缓冲要发送的数据或者已被接收的数据。 波特率控制器： 对系统时钟分频，产生对应 UART 波特率的时钟。

        该模块包含下面这些文件，

串口发送缓存模块

串口发送模块

、

串口接收缓存模块

串口接收缓存模块和串口发送缓存模块都是缓存模块，所以设计思路基本一致， 仅部分信号的寄存器控制有差异。

串口接收模块

波特率控制模块.

中断 为了更好得处理串口接收到的数据，这里采用中断的方式。当串口接收缓存模块 的信号 rx_empty 不为 0 时表示触发了接收中断，如下所示，

uart_irq 是 UART 模块输出的，表示UART 模块的串口接收中断是否触发。 接下来需要把 int_o 给到软核，这里先不详细阐述过程，实现过程体现在代码 中，在中断学习的章节会重点介绍。

在顶层文件 godson_mcu_top.v 中例化我们设计的 UART 模块，如下所示，

在约束文件中，将例化好的 UART 的输出引脚与原理图上的合适引脚进行连接即 可，如下所示，

2.  软件设计，基于 UART 模块编写串口发送函数、串口接收中断服务函数

        既然已经设计好了硬件电路，我们就可以进行软件程序的编写了。在硬件 UART 模 块设计过程中我们为 APB 分配的地址是 0xbfe88000 ，并且 UART 相关寄存器的偏 移地址是 0x00 0x04 ，所以软件上需要对应好。因为寄存器数量较少，所以这里没有 采用结构体的方式进行访问，直接进行宏定义，如下所示，

        UART_FIFO 寄存器是一个位宽 32位的寄存器，但是根据硬件设计，实际使用的只有低 8 位。 UART_FIFO_CTRL寄存器是一个位宽 32位的寄存器，但是根据硬件设计，实际使用 的只有低 3 位。具体功能如下所示，

配置为奇校验模式，如下所示，

配置后需要延时至少 2000ms ，才能进行串口发送。 因为发送缓存模块的深度为 16byte ，所以一次性不能写入超过 16 个字符的数据， 否则发送出去的数据会出现乱码。 这里使用 printk 函数进行串口打印，这个函数类似 C 语言中的 printf 函数。 每次打印后都需要延时至少 25ms 。 串口发送函数是 soc_printf 基于 SDK 自带的 printf 修改而来的，实际上就是将最底 层的发送函数改为向 UART_FIFO_CTRL 写入数据，如下所示，

在 main.c 中编写代码验证串口发送，如下所示，

编写串口 1 接收中断的处理函数，如下所示，