通用異步串行接口的VHDL實(shí)用化設(shè)計(jì)

摘 要：通用異步串行接口(Universal AsynchrONous Receiver TraNSmitter，UART)在通信、控制等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。根據(jù)UART接口特點(diǎn)和應(yīng)用需求，以提高VHDL設(shè)計(jì)的穩(wěn)定性和降低功耗為目標(biāo)，本文討論了UART接口中時(shí)鐘域劃分、時(shí)鐘分頻、亞穩(wěn)態(tài)、同步FIFO設(shè)計(jì)等問題和解決方案。

關(guān)鍵詞：通用異步串行接口 VHDL 亞穩(wěn)態(tài) 現(xiàn)場可編程邏輯陣列

1 引言

FPGA從實(shí)現(xiàn)粘合邏輯逐步發(fā)展成為設(shè)計(jì)平臺的核心，在電子、通信以及航空航天等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。本人最近實(shí)現(xiàn)的中頻軟件無線電硬件平臺，就以FPGA為核心，實(shí)現(xiàn)上變頻、下變頻等中頻數(shù)字信號處理，并且構(gòu)成A/D/A、DSP和ARM模塊之間的通信中心。這種以FPGA為核心的架構(gòu)使得硬件平臺結(jié)構(gòu)靈活，具有可重構(gòu)性，為軟件無線電的各種算法分配方案提供了有力支撐。

除了和TMS320C6416之間的數(shù)據(jù)流采用EMIF接口外，F(xiàn)PGA的其它接口均采用UART。為了軟件開發(fā)和移植的便利，UART設(shè)計(jì)要做到兼容ST16C550的功能。穩(wěn)定可靠則是作為軟件無線電硬件平臺關(guān)鍵接口的基本要求。考慮到嵌入式系統(tǒng)的特點(diǎn)，在設(shè)計(jì)中應(yīng)盡量降低功耗。本文圍繞這些目標(biāo)，介紹了在UART實(shí)用化設(shè)計(jì)中所遇到的一些重要問題、解決方案以及最終結(jié)果。

2 UART及ST16C550概述

UART是廣泛使用的串行數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議，它在收發(fā)分離的串行鏈路上進(jìn)行全雙工異步通信。發(fā)送過程接收來自數(shù)據(jù)總線上的并行數(shù)據(jù)，按照低位序方式并串轉(zhuǎn)換，然后根據(jù)控制寄存器的設(shè)置生成串行數(shù)據(jù)流;相應(yīng)的，接收過程把串行數(shù)據(jù)流轉(zhuǎn)換成并行數(shù)據(jù)，產(chǎn)生中斷以及狀態(tài)信息，并對數(shù)據(jù)傳輸過程中的異常進(jìn)行處理。

ST16C550是廣泛使用的一款UART接口芯片，是NS16C550的改進(jìn)版本。它收發(fā)均帶有16字節(jié)的FIFO，可以通過設(shè)定波特率設(shè)置寄存器來進(jìn)行收發(fā)時(shí)鐘的分頻控制，傳輸速率從50bps到1.5Mbps。具體內(nèi)容可參見數(shù)據(jù)手冊[1]。

3 實(shí)用化設(shè)計(jì)的主要問題和解決方案

3.1 框架設(shè)計(jì)

根據(jù)UART的功能和數(shù)據(jù)流特點(diǎn)，系統(tǒng)劃分為5個(gè)模塊：時(shí)鐘生成模塊，完成時(shí)鐘分頻和時(shí)鐘分配;界面模塊，完成UART其它模塊和數(shù)據(jù)總線的交互;發(fā)送模塊，緩沖接收到的數(shù)據(jù)并按照設(shè)置生成串行信號;接收模塊，按照設(shè)置將接收信號串并變換并將數(shù)據(jù)送到FIFO中;Modem模塊完成與Modem信息交互和控制，功能相對簡單獨(dú)立。

3.2 時(shí)鐘域的劃分

在同步電路設(shè)計(jì)中，減小時(shí)鐘數(shù)量可簡化設(shè)計(jì)，提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性。不相關(guān)的時(shí)鐘域之間的數(shù)據(jù)傳遞不可避免的存在亞穩(wěn)態(tài)問題，帶來穩(wěn)定性能的下降。時(shí)鐘速率與功耗呈線性關(guān)系，當(dāng)工藝一定時(shí)，低功耗設(shè)計(jì)要求我們降低時(shí)鐘頻率和信號翻轉(zhuǎn)次數(shù)。下面從這些設(shè)計(jì)策略和通信效率來分析不同時(shí)鐘域劃分方案。

方案一：低速時(shí)鐘方案。首先根據(jù)控制寄存器的設(shè)置對外部提供的時(shí)鐘進(jìn)行分頻，生成全局唯一的時(shí)鐘。這種方案的優(yōu)點(diǎn)是系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)簡單、面積最小、功耗最低。缺點(diǎn)也很明顯，CPU時(shí)鐘遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于芯片的工作時(shí)鐘，與UART傳遞數(shù)據(jù)時(shí)將占用CPU過多的時(shí)間。

方案二：高速時(shí)鐘方案。系統(tǒng)直接采用外部提供的時(shí)鐘為唯一時(shí)鐘，根據(jù)控制寄存器的設(shè)置生成收發(fā)模塊的同步時(shí)鐘使能信號，來達(dá)到分頻的目的。這種方案全局只有一個(gè)時(shí)鐘，設(shè)計(jì)簡單。唯一缺點(diǎn)是功耗較大。

在實(shí)際設(shè)計(jì)中，綜合考慮效率和功耗的要求，采用了兩個(gè)關(guān)聯(lián)時(shí)鐘的方案。與CPU的接口界面直接采用外部提供的最高時(shí)鐘信號，而其它模塊采用由波特率設(shè)置寄存器控制的分頻時(shí)鐘。這樣在系統(tǒng)中存在兩個(gè)關(guān)聯(lián)的時(shí)鐘域，設(shè)計(jì)時(shí)需要對兩個(gè)時(shí)鐘域邊界的邏輯進(jìn)行分析和處理。

3.3 時(shí)鐘分頻

同步數(shù)字電路設(shè)計(jì)中,時(shí)鐘是整個(gè)電路中最重要的信號。時(shí)鐘信號上的毛刺會(huì)引起系統(tǒng)的邏輯混亂，大規(guī)模的數(shù)字芯片還對時(shí)鐘歪斜(Clock skew)和負(fù)載提出了要求。為了適應(yīng)這些需求，F(xiàn)PGA內(nèi)部一般設(shè)有數(shù)量不等的全局時(shí)鐘網(wǎng)絡(luò)。

使用同步計(jì)數(shù)器或狀態(tài)機(jī)進(jìn)行時(shí)鐘分頻是一種較好的方案。在設(shè)計(jì)中計(jì)數(shù)器或狀態(tài)機(jī)應(yīng)直接產(chǎn)生分頻時(shí)鐘信號，而不應(yīng)該對計(jì)數(shù)器或狀態(tài)機(jī)進(jìn)行譯碼來產(chǎn)生時(shí)鐘信號，因?yàn)樽g碼等組合邏輯可能給時(shí)鐘帶來毛刺，引起系統(tǒng)不穩(wěn)定。UART當(dāng)波特率設(shè)置寄存器為0或1時(shí)，時(shí)鐘信號不需要分頻，故分頻電路中使用了一個(gè)多路選擇器。

3.4 異步時(shí)鐘與亞穩(wěn)態(tài)

UART使用獨(dú)立的時(shí)鐘信號，使得CPU與UART以及UART之間的信號都處在不同的時(shí)鐘域。為了減少時(shí)序上的沖突，跨時(shí)鐘域的數(shù)據(jù)傳遞首先需要同步處理。但由于時(shí)鐘頻率和相位的差異，就不可避免存在亞穩(wěn)態(tài)問題[2]。所謂亞穩(wěn)態(tài)，是指觸發(fā)器/鎖存器的輸入信號時(shí)序不能滿足設(shè)置時(shí)間和保持時(shí)間的要求，將有可能使得觸發(fā)器/鎖存器的輸出沒有正確的鎖定到邏輯0或邏輯1，處在一個(gè)未知的狀態(tài)，如滯留在中間狀態(tài)，或者震蕩。這里以SN74ABT7819的參數(shù)為例來分析亞穩(wěn)態(tài)、說明提高系統(tǒng)穩(wěn)定性的方法[3]。

亞穩(wěn)態(tài)滯留時(shí)間是隨機(jī)的，服從參量為的負(fù)指數(shù)分布。T0表示器件進(jìn)入亞穩(wěn)態(tài)可能性的孔徑時(shí)間。SN74ABT7819在室溫、5V電壓時(shí)，t=0.30ns，T0=7ps，輸入信號建立時(shí)間TSU1=5ns，傳播延時(shí)TPD1=9ns，芯片內(nèi)部觸發(fā)器建立時(shí)間以及傳播延時(shí)約TPD2+TSU2=1.3ns。設(shè)定觸發(fā)器異步輸入信號邊沿頻率FD=10MHz，芯片工作頻率即觸發(fā)器時(shí)鐘FC=50MHZ。則每個(gè)接收外界輸入信號的觸發(fā)器平均失效時(shí)間MTBF(the Mean Time Between Failures)為：

系統(tǒng)中有多路并行信號跨越不同的時(shí)鐘域，這樣系統(tǒng)總的MTBF會(huì)很小，將以小時(shí)或分鐘計(jì)。可見單觸發(fā)器同步電路不能滿足穩(wěn)定性的要求。為了減小亞穩(wěn)態(tài)的影響，將亞穩(wěn)態(tài)控制在時(shí)鐘域邊界，可以采用傳統(tǒng)的握手通訊方式[4]或者雙觸發(fā)器同步電路，前一方案在通信速率較低時(shí)有效，后者則在實(shí)踐中廣泛使用，這里僅對后者進(jìn)一步說明。三級觸發(fā)器同步電路一般是不必要的。

異步輸入經(jīng)過兩級觸發(fā)器同步生成同步輸出。即使第一個(gè)觸發(fā)器輸出存在亞穩(wěn)態(tài)，經(jīng)過一個(gè)時(shí)鐘周期后，第二個(gè)觸發(fā)器輸出仍處于亞穩(wěn)態(tài)的概率非常小，此電路的平均失效時(shí)間MTBF已經(jīng)是一個(gè)無限長的時(shí)間：

Xilinx未給出Virtex II系列的亞穩(wěn)態(tài)描述參數(shù)，它能工作在更高的時(shí)鐘頻率上，亞穩(wěn)態(tài)的參數(shù)會(huì)比SN74ABT7819優(yōu)秀。但以上分析和設(shè)計(jì)規(guī)則依然適用。