【黑金云课堂】FPGA技术教程Linux开发:串行通信接口与实时时钟模块

Linux 应用第 16-19 节 串行通信接口与实时时钟模块，选自ALINX 黑金云课堂 FPGA 免费直播课。该课程由 ALINX 资深工程师团队倾力打造，从 0 到 1 系统化教学，帮助每位工程师跨过 FPGA 开发门槛。

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Uart 通信

1. UART 基础：UART 是异步串行通信协议，常用 8N1 格式（8 位数据位、无校验、1 位停止位）。Zynq UltraScale+ 提供 2 个 UART 控制器，对应设备节点 /dev/ttyPS0和/dev/ttyPS1。ttyPS0 通常作为调试串口使用。

2. 命令行控制：使用stty命令配置串口参数（波特率、数据位等）。数据收发可直接通过echo和cat操作设备节点。minicom 提供交互式串口调试界面。

3. C 语言编程：通过termios结构体和tcsetattr()配置串口。主要步骤：打开设备→配置波特率和数据格式→使用 read/write 收发数据。Demo 程序提供发送、接收、回环测试三种模式。

4. 实践要点：硬件连接时 TX 和 RX 需交叉连接，必须共地。最常见问题是波特率不匹配导致的乱码。回环测试需要短接 MOSI 和 MISO 引脚，用于验证硬件是否正常。

SPI 通信

1. SPI 基础：SPI 是同步全双工串行通信协议，使用 4 根信号线（MOSI、MISO、SCLK、CS）。定义 4 种时钟模式（Mode 0-3），由 CPOL 和 CPHA 组合决定。Mode 0 最常用。

2. QSPI Flash：Zynq 使用 QSPI Flash 作为启动存储器，存储 FSBL、U-Boot 和内核。Linux 中作为 MTD 设备访问，使用flash_erase擦除、dd命令读写。

3. C 语言编程：Linux 提供spidev用户空间驱动，通过/dev/spidevX.Y访问。使用ioctl(fd, SPI_IOC_MESSAGE, &xfer)进行数据传输。Demo 程序实现 Flash ID 读取、传输测试、回环测试功能。

4. 实践要点：SPI 模式必须匹配从设备要求。回环测试将 MOSI 和MISO 短接验证硬件。Zynq 内置 SPI 控制器最高支持 50MHz 时钟频率。

I2C 通信

1. I2C 基础：I2C 是两线制串行总线（SDA、SCL），支持多主多从架构。使用7位地址识别设备。开漏输出需要外接上拉电阻（通常4.7KΩ）。

2. i2c-tools 工具集：i2cdetect扫描总线设备，i2cget/i2cset读写寄存器，i2cdump批量dump寄存器。是 I2C 调试的必备工具。

3. C 语言编程：通过/dev/i2c-X设备节点访问。使用ioctl(fd, I2C_SLAVE, addr)设置从机地址。读写 EEPROM 需要先写内存地址再读写数据，写入后需等待 5ms。

4. 实践要点：缺少上拉电阻是最常见问题。EEPROM 写入后必须延时等待。地址冲突时可通过设备引脚修改地址。

RTC 实时时钟

1. RTC 基础：RTC 是掉电保持运行的独立时钟电路，由纽扣电池供电。提供年/月/日/时/分/秒时间信息和闹钟功能。Zynq 内置 RTC 控制器，也可外接 I2C RTC 芯片。

2. 命令行控制：hwclock是主要操作工具（-r 读取、-w 写入系统时间、-s 同步到系统）。timedatectl提供更友好的状态查看。通过 sysfs 设置闹钟唤醒系统。

3. C 语言编程：使用rtc_time结构体表示时间（注意 tm_mon 范围0-11，tm_year 从1900起算）。常用 ioctl 命令：RTC_RD_TIME、RTC_SET_TIME、RTC_ALM_SET、RTC_AIE_ON。

4. 实践要点：电池没电会导致时间丢失，需定期更换 CR2032 电池。有网络时推荐使用 NTP 校时，无网络时依赖 RTC 保持时间。

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