ZYNQ笔记（八）：UART 串口中断

 版本：Vivado2020.2（Vitis）

任务：UART串口中断实验，实现串口中断数据回环（接收数据并发送出去）

目录

一、介绍

二、硬件设计

三、软件设计

四、效果

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一、介绍

      ZYNQ 的 UART（Universal Asynchronous Receiver/Transmitter，通用异步收发器） 是一种串行通信接口，用于在 ZYNQ 的 PS 端和外部设备之间进行异步数据传输。

UART 的主要特性

• 支持标准 UART 协议（8-N-1、7-bit 数据位、奇偶校验等）。

• 可编程波特率（最高可达 1 Mbps，取决于时钟配置）。

• 双缓冲（FIFO）支持（减少 CPU 中断负载）。

• 中断或轮询模式（可配置 DMA 传输）。

• 硬件流控（可选）（RTS/CTS 信号）。

• 集成在 PS（ARM）端，通常通过 MIO 或 EMIO 连接至外部引脚。

        注意：使用UART串口有中断和轮询两种方式，之前的例程只是串口打印发送，真正使用UART 进行接收和发送时需要进行初始化，并且通过中断和轮询的方式使用串口（一般选择中断）。

二、硬件设计

        （1）硬件设计同 ZYNQ笔记（一）：hello world 一致，直接沿用。

        （2）最后整体 bd 设计部分如图所示：设计检查、Generate Output Products、 Create HDL Wrapper、管脚约束（无PL部分，跳过）、Gnerate Bitstream（无PL部分，跳过）、Export Hardware（无PL部分，不包含比特流文件）、启动Vitis

三、软件设计

        （1）这里提一下 UART 有四种工作模式：

工作模式	数据流向	主要用途	特点
Normal Mode 正常模式	TxD → 外部设备 RxD ← 外部设备	正常通信模式， 与外部设备双向传输数据	标准 UART 操作，依赖 FIFO 缓冲和流控
Automatic Echo Mode 自动回环模式	RxD 接收数据，同时自动回环到 TxD 发送	测试 UART 自身收发功能 （无需外部设备）	接收端数据直接回传，用于验证硬件是否正常
Local Loopback Mode 本地回环模式	TxD 数据内部回环到 RxD（不经过物理引脚）	测试芯片内部 UART 控制器和软件逻辑（隔离外部信号干扰）	避免外部线路影响，排查软件或驱动问题
Remote Loopback Mode 远程回环模式	RxD 接收数据直接回环到 TxD 发送	测试完整通信链路 （包括物理线路和外部设备）	验证线路完整性，检测信号衰减或干扰

        （2）设置UART中断触发类型，通过 XUartPs_SetInterruptMask 函数实现，掩码定义在 xuartps_hw.h 头文件，如图所示，本例采用 RX 接收端 FIFO（达到阈值）触发。

/** @name Interrupt Registers** Interrupt control logic uses the interrupt enable register (IER) and the* interrupt disable register (IDR) to set the value of the bits in the* interrupt mask register (IMR). The IMR determines whether to pass an* interrupt to the interrupt status register (ISR).* Writing a 1 to IER Enbables an interrupt, writing a 1 to IDR disables an* interrupt. IMR and ISR are read only, and IER and IDR are write only.* Reading either IER or IDR returns 0x00.** All four registers have the same bit definitions.** @{*/
#define XUARTPS_IXR_RBRK	0x00002000U /**< Rx FIFO break detect interrupt */
#define XUARTPS_IXR_TOVR	0x00001000U /**< Tx FIFO Overflow interrupt */
#define XUARTPS_IXR_TNFUL	0x00000800U /**< Tx FIFO Nearly Full interrupt */
#define XUARTPS_IXR_TTRIG	0x00000400U /**< Tx Trig interrupt */
#define XUARTPS_IXR_DMS		0x00000200U /**< Modem status change interrupt */
#define XUARTPS_IXR_TOUT	0x00000100U /**< Timeout error interrupt */
#define XUARTPS_IXR_PARITY 	0x00000080U /**< Parity error interrupt */
#define XUARTPS_IXR_FRAMING	0x00000040U /**< Framing error interrupt */
#define XUARTPS_IXR_OVER	0x00000020U /**< Overrun error interrupt */
#define XUARTPS_IXR_TXFULL 	0x00000010U /**< TX FIFO full interrupt. */
#define XUARTPS_IXR_TXEMPTY	0x00000008U /**< TX FIFO empty interrupt. */
#define XUARTPS_IXR_RXFULL 	0x00000004U /**< RX FIFO full interrupt. */
#define XUARTPS_IXR_RXEMPTY	0x00000002U /**< RX FIFO empty interrupt. */
#define XUARTPS_IXR_RXOVR  	0x00000001U /**< RX FIFO trigger interrupt. */
#define XUARTPS_IXR_MASK	0x00003FFFU /**< Valid bit mask */

        （3）UART中断控制原理：可以简单理解为"开关+触发器"的组合，通过掩码(IMR)和中断状态(ISR)两个寄存器协同工作：一种中断触发类型各对应一个掩码位和状态位，当任一触发类型的掩码位和状态位都有效时，UART产生中断请求信号。

        因为UART支持多种中断触发方式，所以中断处理函数部分需要对中断类型进行判断，可以根据不同的触发方式分情况进行处理。

        中断函数具体操作方式：1.读取状态寄存器、掩码寄存器（通过（2）设置），并进行相与（相与之后的结果就是表示当前串口的中断状态）、2. 将相与结果再与上需要判断的中断触发类型掩码，进行 if 判断（相于后只有触发类型一致时，相应位才得1，其余位为0，通过 if 判断）。

        （4）完整设计代码：

#include "xparameters.h"
#include "xil_printf.h"
#include "xuartps.h"
#include "xscugic.h"//==========================自定义宏==========================//#define UART_DEVICE_ID		XPAR_XUARTPS_0_DEVICE_ID     //宏定义UART器件ID
#define INTC_DEVICE_ID		XPAR_SCUGIC_SINGLE_DEVICE_ID //宏定义中断控制器（GIC）ID
#define UART_INTR_ID	    XPAR_XUARTPS_1_INTR			 //宏定义UART中断号（中断ID）//===========================实例化===========================//XUartPs Uart;	//UART驱动实例
XScuGic Intc;	//中断控制器驱动实例//========================函数变量声明========================//static int  Uart_Intr_Init();				//UART中断初始化
static void IntrHandler(void *CallBackRef);	//中断处理函数
static void Setup_Intr_System(XScuGic *intr, XUartPs *uart,u16 uart_intr_id); //建立中断系统//===========================主函数===========================//int main()
{//串口中断初始化Uart_Intr_Init();//建立中断系统Setup_Intr_System(&Intc, &Uart, UART_INTR_ID);//打印Debug信息xil_printf("UART Interrupt Test\r\n");while(1)return 0;
}//========================中断处理函数========================//
/* @param CallBackRef  用户自定义回调参数（对应UART实例指针）*/
void IntrHandler(void *CallBackRef)
{u8  rec_data;u32 IntrStatus;//将回调参数转为UART实例指针，用于操作硬件（例规范化设计）XUartPs *UartInstPtr = (XUartPs *) CallBackRef;//读取中断ID寄存器，获取中断触发类型IntrStatus  = XUartPs_ReadReg(UartInstPtr->Config.BaseAddress,XUARTPS_IMR_OFFSET);//读取掩码IntrStatus &= XUartPs_ReadReg(UartInstPtr->Config.BaseAddress,XUARTPS_ISR_OFFSET);//读取状态//判断中断类型并执行中断处理（与上对应中断类型掩码）//本例只设置了一种中断类型，有多种时通过if判断分情况处理if (IntrStatus & (u32)XUARTPS_IXR_RXOVR){//接收发送的字节rec_data = XUartPs_RecvByte(XPAR_XUARTPS_0_BASEADDR);//发送数据XUartPs_SendByte(XPAR_XUARTPS_0_BASEADDR,rec_data);//清除中断状态XUartPs_WriteReg(UartInstPtr->Config.BaseAddress,XUARTPS_ISR_OFFSET, XUARTPS_IXR_RXOVR);}
}//======================UART中断初始化=======================//
int Uart_Intr_Init()
{//定义UART控制器配置信息（指针）XUartPs_Config *UartConfig;//根据UART ID，查找配置信息UartConfig = XUartPs_LookupConfig(UART_DEVICE_ID);//初始化UART控制器驱动XUartPs_CfgInitialize(&Uart, UartConfig, UartConfig->BaseAddress);//设置工作模式:正常模式XUartPs_SetOperMode(&Uart, XUARTPS_OPER_MODE_NORMAL);//设置波特率:115200XUartPs_SetBaudRate(&Uart,115200);//（可选）串口自检:基本设置完成后，调用该函数进行串口自检并返回状态int Status = XUartPs_SelfTest(&Uart);if (Status != XST_SUCCESS) {xil_printf("UART SelfTest Failed\r\n");return XST_FAILURE;}return XST_SUCCESS;
}//=======================建立中断系统=======================//
/* 建立中断系统，UART接收到数据时产生中断* @param intr			是指向 XScuGic驱动实例的指针* @param uart 			是指向 XUartPs驱动实例的指针* @param uart_intr_id	是 UART控制器ID*/
void Setup_Intr_System(XScuGic *intr,  XUartPs *uart, u16 uart_intr_id)
{//定义中断控制器配置信息（指针）XScuGic_Config * IntcConfig;//根据中断控制器ID，查找GIC配置信息IntcConfig = XScuGic_LookupConfig(INTC_DEVICE_ID);//初始化中断控制器驱动XScuGic_CfgInitialize(intr, IntcConfig, IntcConfig->CpuBaseAddress);//设置中断异常处理功能Xil_ExceptionInit();Xil_ExceptionRegisterHandler(XIL_EXCEPTION_ID_INT,(Xil_ExceptionHandler) XScuGic_InterruptHandler,(void *) intr);//使能处理器中断Xil_ExceptionEnable();//关联中断处理函数XScuGic_Connect(intr, uart_intr_id,(Xil_ExceptionHandler) IntrHandler,(void *) uart);//设置FIFO阈值：1字节，即接收多少字节数据触发中断XUartPs_SetFifoThreshold(uart, 1);//设置UART中断触发类型:接收端FIFO触发中断（添加触发类型直接或“|”，各触发类型掩码位是独立的）XUartPs_SetInterruptMask(uart, XUARTPS_IXR_RXOVR);//使能UART中断XScuGic_Enable(intr, uart_intr_id);
}

四、效果

        上板后串口打印Debug信息，随后每向板卡发送数据，板卡会将数据接收并发送回来。