O 引言
Altera公司的FPGA作為全定制芯片的一個代表正在得到日益廣泛的應用。為了用戶使用方便，Altera公司推出嵌入式軟核" title="軟核">軟核NiosⅡ" title="NiosⅡ">NiosⅡ可以便利地使用工具生成并放人FPGA芯片中。NiosⅡ軟核可以在用戶的系統中處理一些諸如人機接口界面、內部時序邏輯控制、外部設備初始化等工作。通用異步收發器(UART)，是嵌入式系統上很常用的一個串行接口，由于其方便、簡單、易用等特性，在嵌入式系統中依然扮演著十分重要的角色。所以Altera才把UART作為一個連接Nios／NiosⅡ與其相關外設的IP放在SoPC Builder里面供用戶使用。Nios一代調試甚至直接用串口。
NiosⅡ處理器是Intel公司為Altera公司推出的一個32位精簡指令處理器軟核。在Altera公司推出的軟件SoPC中加載NiosⅡ軟核和相應的外圍接口以及與定義相應的自定義指令，然后對設計進行綜合，下載到FPGA中就可以方便地實現一個具有高速DSP功能的嵌入式處理器。
NiosⅡ處理器的軟件開發是建立在ANSI C基礎上的。NiosⅡIDE是NiosⅡ系列嵌入式處理器的主要軟件開發工具。用戶可以在NiosⅡIDE中完成所有的軟件開發任務，如編輯、編譯、下載、調試和閃存編程。NiosⅡ嵌入式系統的一個重要問題就是軟件代碼量的大小，這關系到存放代碼的存儲器件容量大小，因此控制和減小程序代碼量是降低系統成本的重要方法，必須首先從處理器的啟動順序開始研究。
1 串口C語言方式編程
使用該方法要加上下面語句：
執行上面程序可以得到串口輸出結果。
如果不調用alt_main()函數，則系統默認運行步驟如下：
(1)調用alt_os_int()函數來執行任何操作系統所特有的初始化。如果HAL是在操作系統里運行的，那么初始化alt_fd_list_lock命令。它可以控制訪問HAL文件系統，初始化中斷控制器并執行中斷。
(2)調用alt_sys_init()函數，以初始化系統里所有的驅動裝置和軟件組成部分。
(3)重新設置C標準I／O通道(stdin，stdout，stderr)，以使用合適的器件。
(4)調用main()。
(5)調用exit()。main()的返回代碼作為exit()的輸入。
該方式使用串口比較簡單，但是占用的存儲資源比較大，編譯時間也較長。
2 串口直接讀寫寄存器" title="寄存器">寄存器方式編程
2．1 串口初始化
NiosⅡ的串口編程有多種方式，比較多的是采用標準C語言寫法，占用程序空間比較大。NiosⅡ處理器的啟動可采用2種方式：自動初始化和用戶自定義初始化。ANSI C標準定義應用程序可以通過調用main()來開始執行。在調用main()之前，應用程序假定運行環境和所有的服務系統都被初始化并準備運行。初始化可以被硬件抽象層(HAL)系統庫自動執行。程序員不需要考慮系統的輸出設備以及如何初始化每一個外設，HAL會自動初始化整個系統。
另外，ANSI C標準也提供了一個可變的入口點程序，以避免自動初始化。ANSI C標準還定義程序員能手動初始化任何所用的硬件。alt_ main()函數提供了一個獨立式的編程環境，能夠完全控制系統的初始化。獨立式編程環境可以使程序員手動編寫初始化系統的代碼。
HAL提供的系統初始化代碼按以下啟動順序運行：
(1)啟動指令和數據高速緩沖存儲器；
(2)配置堆棧；
(3)配置全局指針；
(4)通過鏈接器提供的_bss_start和_bss_end來零初始化BSS層，_bss_start和_bss_end是開始和結束BSS的命令；
(5)如果當前系統沒有啟動下載器，就復制.rwdata，．rodata或者剩下的部分到RAM；
(6)調用alt_main()。
在NiosⅡIDE工程中，只需簡單定義alt_main()就可以實現用戶的啟動順序，而且能夠選擇HAL的服務程序。如果應用程序需要一個alt_ main()入口點程序，可以復制默認的執行作為開始點，根據要求來定制它。
使用獨立式編程環境會增加NiosⅡ程序編寫的復雜性。獨立式編程環境的主要作用在于減小代碼量，但要使用這種方法，需要對NiosⅡ處理器的外設和驅動編寫都非常熟悉才行。在NiosⅡIDE中也可以通過某些選項來減小HAL系統庫容量，從而達到減小代碼量的目的，比使用獨立式編程環境容易得多。
串口部分程序初始化代碼如下：
//串口中斷初始化
2．2 串口收發通信程序
串口的收發可采用查詢和中斷方式，中斷方式要更好一些。
查詢方式發送子程序代碼如下：
查詢方式接收子程序代碼如下：
因為串口的中斷號是惟一的，所以中斷方式接收發送只能在一個中斷函數內。中斷方式接收發送子程序代碼如下：
該中斷處理程序可進行中斷方式接收發送，如果程序需要進行精確的接收發送，還需加上中斷程序和主程序的相互控制變量。
2．3 串口通信調試
在Nios中調試“Hello world!”范例的時候往往會出現這樣的錯誤：nios2-terminal：can't open uart：Permission denied。這是因為在調試程序時，打開了另外的串口調試工具，或者可以說是串口偵聽器。但實際上NIOS IDE中已經集成了串口調試工具，或者串口偵聽器。在任務管理器中nios2-terminal．exe就是這個偵聽串口的進程。
所以，如果用NIOS IDE來觀察發送的數據，就不要用其他的串口調試工具，如果在編譯之前就打開了其他的串口偵聽器，編譯鏈接的時候就會出現上述的錯誤。而在程序編譯鏈接后再去打開其他的串口偵聽器，串口就會因為nios2-terminal．exe占用而無法打開。解決的方法，如果想用NIOS IDE觀察的話就不要事先打開其他的串口調試工具。而如果想用其他的串口調試工具來觀察數據，通過USB_BLASTER將數據下載到板子后，刪除任務管理器中的nios2_terminal．exe，然后打開串口調試工具。如果程序沒有問題，運行后就可以看到數據。
3 結果與討論
為證明以上程序的可運用性，特別制作了電路來驗證，芯片使用EP3C40，PC端使用串口調試助手，波特率為19 200 b／s，8位數據位，1位停止位，無校驗位。實驗結果如圖2所示。
經實驗證明，該方法簡單可靠，可以生成比較小的代碼。
4 結語
本文討論了嵌入式軟核NiosⅡ中串口模塊的編程方法，給出了串口模塊編程的示例代碼，經實際運用，效果良好，具有一定的參考意義。