FPGA實現(xiàn)UART和MCU一體化設(shè)計

摘要：現(xiàn)代數(shù)字電子系統(tǒng)設(shè)計正在朝著新的方向發(fā)展，即利用FPGA技術(shù)進行系境設(shè)計。介紹了一種利用FPGA來實現(xiàn)通用串行異步收發(fā)器(UA-RT)和控制通信的MCU的數(shù)字系統(tǒng)，底層設(shè)計模塊采用VHDL硬件描述語言實現(xiàn)，并進行了仿真驗證。該設(shè)計方法和理念為以后的計算機系統(tǒng)以及其他的數(shù)字電子系統(tǒng)提供了一個新的思路，應用此技術(shù)可以使系統(tǒng)設(shè)計更加緊湊、可靠。
關(guān)鍵詞：計算機系統(tǒng)；FPGA；VHDL；UART；MCU；有限狀態(tài)機

計算機技術(shù)和微電子技術(shù)的發(fā)展為現(xiàn)代電子設(shè)計提供了新的方法和途徑。傳統(tǒng)的電子設(shè)計采用功能獨立的分立元件進行功能組合從而實現(xiàn)特定的功能，計算機設(shè)計初期也一直采用這種模式。但是隨著近代電子技術(shù)的進步，尤其是FPGA(Field Programmable Gate Array)的出現(xiàn)，使得電子設(shè)計和計算機設(shè)計都發(fā)生了很大的變化，尤其是在數(shù)字電子系統(tǒng)的設(shè)計領(lǐng)域。利用現(xiàn)場可編程門陣列FPGA可以實現(xiàn)任何數(shù)字器件的功能，而且還可以大大縮短設(shè)計時間，減少PCB的面積，提高信號的傳輸質(zhì)量，提高系統(tǒng)的可靠性，增加設(shè)計的靈活性和可維護性。本文采用FPGA技術(shù)實現(xiàn)一個MCU與串行通信外設(shè)進行簡易通信的平臺，一方面了解了計算機的一些控制原理和工作流程；另一方面可以了解利用FPGA進行電子設(shè)計的優(yōu)越性。

1 FPGA與電子設(shè)計
用FPGA進行計算機I／O通信設(shè)備的開發(fā)設(shè)計，實現(xiàn)了功能類似Intel 8250及8251，美國半導體公司的16550串行通信接口的功能，同時實現(xiàn)了帶有簡單類忙編指令的微控制單元MCU來控制與外圍I／O設(shè)備的通信。整個設(shè)計采用VHDL在Altera的QuartusⅡV6．0進行設(shè)計實現(xiàn)，并進行仿真驗證。
1．1 FPGA的原理及其開發(fā)平臺
通常的FPGA由布線資源分隔的可編程邏輯單元構(gòu)成陣列，又由司編程I／O單元圍繞陣列構(gòu)成整個芯片，排成這列的邏輯單元由布線通道中可編程內(nèi)連線連接來實現(xiàn)一定的邏輯功能，也就是說分段的互連線可以通過可編程開關(guān)以任意方式連接起來形成邏輯單元的信號線。一個FPGA主要由邏輯陣列塊(LAB)、I／O塊、RAM塊和可編程的行／列線等組成。
1．2 FPGA的開發(fā)軟件及設(shè)計流程
FPGA的開發(fā)軟件一般由生產(chǎn)FPGA的廠商根據(jù)自己的產(chǎn)品特性提供專門的開發(fā)工具，目前主要流行的是Xilinx的ISE平臺和Altera的Quar-tus平臺。本文使用的是后者。使用該設(shè)計開發(fā)軟件能夠完成FPGA系統(tǒng)設(shè)計的流程基本包括了設(shè)計輸入(原理圖輸入或HDL語言描述輸入)、綜合、布線、下載等工作。本文所設(shè)計的電子系統(tǒng)設(shè)計輸入采用VHDL語言。
選定了設(shè)計平臺后，只要考慮所要設(shè)計系統(tǒng)的功能，借助集成開發(fā)環(huán)境即可完成想要的設(shè)計。一般來說，利用FPGA進行電子設(shè)計的完整的設(shè)計流程分為電路的設(shè)計與輸入、功能仿真、綜合、綜合后仿真、實現(xiàn)、布局布線后仿真、配置下載與調(diào)試等步驟。由于FPGA的靈活性和設(shè)計的可重復性，可以保證在任何仿真或者驗證步驟出現(xiàn)問題時都能根據(jù)錯誤定位返回相應的步驟，以進行更改或者重新設(shè)計。這是傳統(tǒng)電子設(shè)計方法無法比擬的。

2 系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)
本文所設(shè)計的系統(tǒng)實現(xiàn)了一個可簡易匯編指令的微控制器MCU和一個計算機組成中的外圍串行通信I／O設(shè)備。通過實現(xiàn)的一部分I／O輸入／輸出指令和條件跳轉(zhuǎn)指令可實現(xiàn)與外設(shè)的通信控制。系統(tǒng)功能模塊劃分如圖1所示。

2．1 串行通信外設(shè)的設(shè)計與實現(xiàn)
在計算機系統(tǒng)組成中，串行通信占據(jù)重要地位，它的使用范圍包括計算機與外部設(shè)備之間，計算機與計算機之間、甚至在進行前期CPU設(shè)計時都會用到。傳統(tǒng)的設(shè)計方法是應用Intel公司的8250／8251或者美國半導體的16550等芯片，但因設(shè)計復雜，占用電路體積大，而且出現(xiàn)問題不容易跟蹤定位，所以本文采用FPGA實現(xiàn)。將串行通信的關(guān)鍵器件UART集成到FPGA內(nèi)部，增加系統(tǒng)的可靠性，縮小PCB板體積，使得系統(tǒng)更加緊致，且能根據(jù)需要進行適當?shù)脑O(shè)計、擴充和裁剪。實現(xiàn)的該I／O設(shè)備功能劃分如圖2所示。