FPGA實(shí)現(xiàn)UART和MCU一體化設(shè)計(jì)

摘要：現(xiàn)代數(shù)字電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)正在朝著新的方向發(fā)展，即利用FPGA技術(shù)進(jìn)行系境設(shè)計(jì)。介紹了一種利用FPGA來(lái)實(shí)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(jì)模塊采用VHDL硬件描述語(yǔ)言實(shí)現(xiàn)，并進(jìn)行了仿真驗(yàn)證。該設(shè)計(jì)方法和理念為以后的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)以及其他的數(shù)字電子系統(tǒng)提供了一個(gè)新的思路，應(yīng)用此技術(shù)可以使系統(tǒng)設(shè)計(jì)更加緊湊、可靠。
關(guān)鍵詞：計(jì)算機(jī)系統(tǒng)；FPGA；VHDL；UART；MCU；有限狀態(tài)機(jī)

計(jì)算機(jī)技術(shù)和微電子技術(shù)的發(fā)展為現(xiàn)代電子設(shè)計(jì)提供了新的方法和途徑。傳統(tǒng)的電子設(shè)計(jì)采用功能獨(dú)立的分立元件進(jìn)行功能組合從而實(shí)現(xiàn)特定的功能，計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)初期也一直采用這種模式。但是隨著近代電子技術(shù)的進(jìn)步，尤其是FPGA(Field Programmable Gate Array)的出現(xiàn)，使得電子設(shè)計(jì)和計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)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(jì)領(lǐng)域。利用現(xiàn)場(chǎng)可編程門(mén)陣列FPGA可以實(shí)現(xiàn)任何數(shù)字器件的功能，而且還可以大大縮短設(shè)計(jì)時(shí)間，減少PCB的面積，提高信號(hào)的傳輸質(zhì)量，提高系統(tǒng)的可靠性，增加設(shè)計(jì)的靈活性和可維護(hù)性。本文采用FPGA技術(shù)實(shí)現(xiàn)一個(gè)MCU與串行通信外設(shè)進(jìn)行簡(jiǎn)易通信的平臺(tái)，一方面了解了計(jì)算機(jī)的一些控制原理和工作流程；另一方面可以了解利用FPGA進(jìn)行電子設(shè)計(jì)的優(yōu)越性。

1 FPGA與電子設(shè)計(jì)
用FPGA進(jìn)行計(jì)算機(jī)I／O通信設(shè)備的開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了功能類(lèi)似Intel 8250及8251，美國(guó)半導(dǎo)體公司的16550串行通信接口的功能，同時(shí)實(shí)現(xiàn)了帶有簡(jiǎn)單類(lèi)忙編指令的微控制單元MCU來(lái)控制與外圍I／O設(shè)備的通信。整個(gè)設(shè)計(jì)采用VHDL在Altera的QuartusⅡV6．0進(jìn)行設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)，并進(jìn)行仿真驗(yàn)證。
1．1 FPGA的原理及其開(kāi)發(fā)平臺(tái)
通常的FPGA由布線(xiàn)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(gè)芯片，排成這列的邏輯單元由布線(xiàn)通道中可編程內(nèi)連線(xiàn)連接來(lái)實(shí)現(xiàn)一定的邏輯功能，也就是說(shuō)分段的互連線(xiàn)可以通過(guò)可編程開(kāi)關(guān)以任意方式連接起來(lái)形成邏輯單元的信號(hào)線(xiàn)。一個(gè)FPGA主要由邏輯陣列塊(LAB)、I／O塊、RAM塊和可編程的行／列線(xiàn)等組成。
1．2 FPGA的開(kāi)發(fā)軟件及設(shè)計(jì)流程
FPGA的開(kāi)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(zhuān)門(mén)的開(kāi)發(fā)工具，目前主要流行的是Xilinx的ISE平臺(tái)和Altera的Quar-tus平臺(tái)。本文使用的是后者。使用該設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)軟件能夠完成FPGA系統(tǒng)設(shè)計(jì)的流程基本包括了設(shè)計(jì)輸入(原理圖輸入或HDL語(yǔ)言描述輸入)、綜合、布線(xiàn)、下載等工作。本文所設(shè)計(jì)的電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)輸入采用VHDL語(yǔ)言。
選定了設(shè)計(jì)平臺(tái)后，只要考慮所要設(shè)計(jì)系統(tǒng)的功能，借助集成開(kāi)發(fā)環(huán)境即可完成想要的設(shè)計(jì)。一般來(lái)說(shuō)，利用FPGA進(jìn)行電子設(shè)計(jì)的完整的設(shè)計(jì)流程分為電路的設(shè)計(jì)與輸入、功能仿真、綜合、綜合后仿真、實(shí)現(xiàn)、布局布線(xiàn)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(jì)的可重復(fù)性，可以保證在任何仿真或者驗(yàn)證步驟出現(xiàn)問(wèn)題時(shí)都能根據(jù)錯(cuò)誤定位返回相應(yīng)的步驟，以進(jìn)行更改或者重新設(shè)計(jì)。這是傳統(tǒng)電子設(shè)計(jì)方法無(wú)法比擬的。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)
本文所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了一個(gè)可簡(jiǎn)易匯編指令的微控制器MCU和一個(gè)計(jì)算機(jī)組成中的外圍串行通信I／O設(shè)備。通過(guò)實(shí)現(xiàn)的一部分I／O輸入／輸出指令和條件跳轉(zhuǎn)指令可實(shí)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(jì)與實(shí)現(xiàn)
在計(jì)算機(jī)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(jì)算機(jī)與外部設(shè)備之間，計(jì)算機(jī)與計(jì)算機(jī)之間、甚至在進(jìn)行前期CPU設(shè)計(jì)時(shí)都會(huì)用到。傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法是應(yīng)用Intel公司的8250／8251或者美國(guó)半導(dǎo)體的16550等芯片，但因設(shè)計(jì)復(fù)雜，占用電路體積大，而且出現(xiàn)問(wèn)題不容易跟蹤定位，所以本文采用FPGA實(shí)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(jìn)行適當(dāng)?shù)脑O(shè)計(jì)、擴(kuò)充和裁剪。實(shí)現(xiàn)的該I／O設(shè)備功能劃分如圖2所示。