基于FPGA的UART接口模塊設(shè)計(jì)

UART（UniversalAnynchronousReceiverTransmitter,通用異步接收發(fā)送器）是廣泛應(yīng)用的串行數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議之一，其應(yīng)用范圍遍及計(jì)算機(jī)外設(shè)、工控自動(dòng)化等場(chǎng)合。雖然USB傳輸協(xié)議比UART協(xié)議有更高的性能，但電路復(fù)雜開(kāi)發(fā)難度大，并且大多數(shù)的微處理器只集成了UART,因此UART仍然是目前數(shù)字系統(tǒng)之間進(jìn)行串行通信的主要協(xié)議。

　　隨著FPGA的廣泛應(yīng)用，經(jīng)常需要FPGA與其他數(shù)字系統(tǒng)進(jìn)行串行通信，專(zhuān)用的UART集成電路如8250,8251等是比較復(fù)雜的，因?yàn)閷?zhuān)用的UART集成電路既要考慮異步的收發(fā)功能，又要兼容RS232接口設(shè)計(jì)，在實(shí)際應(yīng)用中，往往只需要用到UART的基本功能，使用專(zhuān)用芯片會(huì)造成資源浪費(fèi)和成本提高?？梢詫⑺枰腢ART功能集成到FPGA內(nèi)部，實(shí)現(xiàn)FPGA與其他數(shù)字系統(tǒng)的直接通信，從而簡(jiǎn)化了整個(gè)系統(tǒng)電路，提高了可靠性、穩(wěn)定性和靈活性。

　　1 UART簡(jiǎn)介

　　基本的UART通信只需要兩條信號(hào)線（RXD,TXD）就可以完成數(shù)據(jù)的相互通信，接收與發(fā)送是全雙工形式，其中TXD是UART發(fā)送端，RXD是UART接收端。UART基本特點(diǎn)是：在信號(hào)線上有兩種狀態(tài)，可分別用邏輯1（高電平）和邏輯0（低電平）來(lái)區(qū)分。在發(fā)送器空閑時(shí)，數(shù)據(jù)線應(yīng)保持在邏輯高電平狀態(tài)。發(fā)送器是通過(guò)發(fā)送起始比特而開(kāi)始一個(gè)字符傳送，起始比特使數(shù)據(jù)線處于邏輯0狀態(tài)，提示接收器數(shù)據(jù)傳輸即將開(kāi)始。數(shù)據(jù)位一般為8位一個(gè)字節(jié)的數(shù)（也有6位7位的情況），低位（LSB）在前，高位（MSB）在后。校驗(yàn)位一般用來(lái)判斷接收的數(shù)據(jù)位有無(wú)錯(cuò)誤，一般是奇偶校驗(yàn)。停止位在最后，用以標(biāo)志UART一個(gè)字符傳送的結(jié)束，它對(duì)應(yīng)于邏輯1狀態(tài)，UART數(shù)據(jù)幀格式如圖1所示。

圖1 UART數(shù)據(jù)幀格式

　　2 UART功能實(shí)現(xiàn)

　　UART可以分解為3個(gè)子模塊：波特率發(fā)生器模塊；發(fā)送模塊；接收模塊。UART的功能主要由VHDL硬件描述語(yǔ)言編程，圖2是編譯后生成的圖元SCI,它包括了UART的最主要的部分，即發(fā)送模塊和接收模塊。SCI的外部口線可分為3類(lèi)：

　　一是與數(shù)字系統(tǒng)的接口，包括數(shù)據(jù)DATA[7.0],片選CS,讀寫(xiě)RD、WR,狀態(tài)RDFULL、TDEMPTY.這部分接口完成的功能是將待發(fā)送的數(shù)據(jù)寫(xiě)入SCI或從SCI讀出已接收到的數(shù)據(jù)。

　　二是串行通信接口2條線RXD、TXD,其中RXD是接收數(shù)據(jù)線、TXD是發(fā)送數(shù)據(jù)線，因此，SCI實(shí)現(xiàn)的是全雙工通信的設(shè)計(jì)。

　　三是系統(tǒng)控制線RESET、CLK,RESET為模塊復(fù)位輸入，CLK為模塊時(shí)鐘輸入，通信的波特率由CLK來(lái)決定（實(shí)際的波特率是CLK/4）。

圖2 UART的圖元模塊結(jié)構(gòu)

　　RDFULL、TDEMPTY為兩個(gè)狀態(tài)標(biāo)志位，RDFULL為輸入寄存器滿(mǎn)標(biāo)志，高電平表示已經(jīng)接收到一個(gè)有效數(shù)據(jù)并存儲(chǔ)到輸入數(shù)據(jù)寄存器中，當(dāng)CS、RD有效將數(shù)據(jù)讀出后變?yōu)榈碗娖綗o(wú)效。

　　TDEMPTY為輸出寄存器空標(biāo)志，高電平表示由CS、WR有效寫(xiě)入到輸出寄存器的數(shù)據(jù)已經(jīng)發(fā)送完畢，可以向輸出寄存器寫(xiě)入另外待發(fā)送的數(shù)據(jù)，低電平時(shí)表示數(shù)據(jù)目前正在發(fā)送中。