UART 16550 IP核使用详解

AXI UART 16550是Xilinx FPGA中提供的一个UART IP核，它允许通过AXI接口与UART设备进行通信。本文描述了如何使用Xilinx的Vivado Design Suite环境中的工具来定制和生成 UART 16550 IP核，以及如何配置和使用该IP核。

1 UART 16550 IP核的使用

以下是针对如何定制IP核的步骤的简要概述：

（1）打开或新建一个工程。

（2）如下图所示，找到UART 16550 IP核。

（3）双击IP，或从工具栏或右键菜单中选择“Customize IP”命令，打开该IP核的配置页。

在AXI UART 16550 Vivado IDE中，以下是默认选项的描述：

AXI CLK Frequency (AXI时钟频率)

这是驱动AXI UART 16550外设的系统时钟频率（以MHz为单位）。

注意：当IP与IP Integrator一起使用时，此参数会自动更新。

UART Mode (UART模式)

选择UART的模式，具体是16550模式还是16450模式。这两种模式代表了不同的UART版本和功能集。通常，16550模式提供更多的功能和更好的性能。

Use External CLK for BAUD Rate (使用外部时钟计算波特率)

勾选此选项后，AXI UART 16550会使用外部时钟来计算波特率。此时，xin端口会被外部驱动。

不勾选此选项时，UART可能会使用内部的时钟分频器来生成波特率时钟。

Enable External Receiver CLK (启用外部接收器时钟)

勾选此选项后，rclk（接收器时钟）将由外部驱动。这通常用于同步接收操作，确保数据在正确的时钟边界上被采样。

（4）时钟

系统时钟（System Clock）

AXI UART 16550 IP核的异步微处理器接口是与UART的系统时钟输入同步的。这意味着UART的所有内部操作，如数据发送、接收、波特率生成等，都是基于这个系统时钟来进行的。系统时钟（通常标记为S_AXI_ACLK或类似的名称）的频率是UART操作的基础。

XIN时钟（XIN Clock）

如下图所示，在选择了Use External CLK for BAUD Rate选项时，IP核会出现Xin时钟引脚。

如果xin输入被外部驱动（即使用外部时钟源），那么这个外部时钟（XIN时钟）必须满足特定的要求。特别是，它必须小于或等于系统时钟的一半（即 xin ≤ (S_AXI_ACLK/2)）。这个要求是AXI UART 16550 IP核正确运行的必要条件。

这个限制的原因是UART内部的一些操作（如波特率生成器）需要在一个时钟周期内完成特定的任务。如果XIN时钟太快（即超过系统时钟的一半），UART可能无法在一个时钟周期内完成这些任务，从而导致数据丢失或错误。

（5）复位

AXI UART 16550 IP核使用s_axi_aresetn信号进行复位操作，并且该信号是低电平有效的。

2 编程序列

以下是使用AXI UART 16550 IP核时配置为16550模式的一般步骤：

（1）指定异步数据通信交换的格式

例如：写入线控制寄存器来设置数据位（5、6、7或8）、打开奇偶校验并选择偶校验或奇校验、设置传输的停止位数。

通过编程线控制寄存器（Line Control Register）来设置除数锁存访问位（Divisor latch access bit）。

（2）激活中断

向中断使能寄存器（Interrupt Enable register）写入值，以允许特定的中断条件（如数据接收、发送缓冲区空等）生成中断。

（3）配置FIFO

写FIFO控制寄存器（FIFO Control register）以启用FIFOs、清除FIFOs和设置接收FIFO（RCVR FIFO）的触发级别。

（4）设置UART波特率

写除数锁存（Divisor Latch），首先写入最低有效字节，然后写入最高有效字节，以正确设置UART的波特率。

（5）处理中断

当AXI UART 16550触发中断时，您的软件必须读取相关的寄存器（如接收缓冲区寄存器），处理数据，并清除中断标志。

3.1 16550模式下的编程序列

设置目标：

波特率：56kbps

系统时钟：100Mhz

使能FIFO接收缓冲区FIFO

异步数据传输格式：8数据位（data bits）、偶校验（Even parity）和2停止位（stop bits）

设置流程

（1）写0x0000_0080到线控制寄存器

设置DLAB（Divisor Latch Access Bit）位为1，允许写入Divisor Latch的值。

//假设UART的LCR寄存器地址是0x<some_address> 

uint16_t lcr_value = 0x0080; // 设置DLAB位为1

write_to_register(0x<some_address> , lcr_value); // 写入线控制寄存器

（2）写Divisor Latch以配置波特率

根据计算出的分频值设置Divisor Latch的最低有效字节（LSB）和最高有效字节（MSB）。分频器的值是通过AXI时钟频率和期望的波特率计算得出的。

divisor = (AXI CLK frequency/(16 × Baud Rate))

代码实现为：

// 假设UART的 Divisor Latch LSB和MSB的地址分别是0x<lsb_address>和0x<msb_address> 
uint8_t divisor_lsb = 0x6F; // 分频器锁存器最低有效字节 
uint8_t divisor_msb = 0x00; // 分频器锁存器最高有效字节（对于56 Kbps，可能不需要这个字节，取决于UART的具体实现） 


write_to_register(0x<lsb_address>, divisor_lsb); // 写入分频器锁存器最低有效字节 
write_to_register(0x<msb_address>, divisor_msb); // 写入分频器锁存器最高有效字节（如果需要的话）

（3）写0x0000_001F到线控制寄存器以设置数据格式

// 重新设置线控制寄存器  
uint16_t new_lcr_value = 0x001F; // 8数据位，2停止位，偶校验，DLAB=0  
write_to_register(0x<some_address>, new_lcr_value); // 写入新的线控制寄存器值

（4）启用中断

// 假设中断使能寄存器的地址是0x<ier_address> 
uint8_t ier_value = 0x11; // 启用THRE（Transmitter Holding Register Empty）和RDA（Receive Data Available）中断 
write_to_register(0x<ier_address>, ier_value); // 写入中断使能寄存器

（5）通过中断进行数据传输和接收

当THRE中断触发时，意味着发送缓冲区为空，可以写入新的数据到发送保持寄存器（Transmitter Holding Register）。
当RDA中断触发时，意味着接收缓冲区有新的数据可读，可以从接收缓冲区寄存器（Receiver Buffer Register）中读取数据。

// 此代码表示如何处理中断  
void uart_isr() {  
    if (is_interrupt_set(THRE_INTERRUPT)) { // 检查THRE中断是否设置  
        // 清除THRE中断标志（如果需要的话）  
        // 写入数据到Transmitter Holding Register  
    }  
  
    if (is_interrupt_set(RDA_INTERRUPT)) { // 检查RDA中断是否设置  
        // 清除RDA中断标志（如果需要的话）  
        // 从Receiver Buffer Register读取数据  
    }  
  
    // 其他中断处理...  
}

3.2 使用外部XIN时钟时16550模式下的编程序列