基于FPGA的UART設計實現(xiàn)及驗證

通用異步收發(fā)器(Universal Asynchronous Receiver Transmitter，UART)是數(shù)字通信領域流行和廣泛使用的一種接口設備，主要用來控制符合RS 232-C協(xié)議的計算機與串行設備間的通信。普通串行外設和計算機間的通信，一般使用通用的串行接口芯片，但是這種接口芯片存在體積較大、接口復雜以及成本較高的缺點，會使得硬件設計更加復雜，并且結(jié)構(gòu)與功能相對固定，無法根據(jù)設計的需要對其邏輯控制進行靈活的修改。而目前日趨成熟的SOC技術(shù)則要求將整個設計的功能集成在單片或幾塊芯片當中，因此，將UART的功能集成在FPGA芯片當中，可以使整個系統(tǒng)更為靈活、緊湊，性能也更加穩(wěn)定。本文提出了一種使用VHDL語言開發(fā)UAWT的方法，實現(xiàn)了FPGA與計算機之間的數(shù)據(jù)通信，并將其應用于FPGA芯片開發(fā)的功能驗證當中，從而衍生出了將UART嵌入到EPGA芯片，與計算機互聯(lián)的一種直觀的FPGA設計的驗證和調(diào)試方法。

1 UART通信原理

UART采用通用的RS 232-C串行接口標準，該協(xié)議的優(yōu)點是使用廣泛，幾乎所有計算機和串行外設當中都置有這種接口，其傳輸距離可達15 m，并且實現(xiàn)較簡單，用于雙向連接時最少只需要2條導線即可實現(xiàn)基本通信。UART的具體幀格式如圖1所示，每幀數(shù)據(jù)由開始位、數(shù)據(jù)位、奇偶校驗位和停止位四部分依次組成。其中，開始位為低電平；數(shù)據(jù)位長度為5，6，7，8不等；奇偶校驗的模式有無校驗、奇校驗、偶校驗、粘附校驗1和粘附校驗0；停止位為高電平，具體長度為1位、1.5位和2位不等，這些選項都通過UART內(nèi)部的線性控制寄存器來確定。當沒有數(shù)據(jù)發(fā)送時，發(fā)送和接收引腳都保持高電平。

2 UART的FPGA實現(xiàn)

本實現(xiàn)中，UART主要包括接收模塊、發(fā)送模塊、MODEM控制器和中斷仲裁4個部分。它們的具體功能如下：

接收模塊 具體作用是接收從串行數(shù)據(jù)輸入端口SIN送來的異步數(shù)據(jù)，并進行串／并轉(zhuǎn)換，此外，接收模塊還包含模塊控制和模塊狀態(tài)配置功能，用來設置接收數(shù)據(jù)幀的屬性以及向中斷仲裁模塊輸出狀態(tài)信號；

發(fā)送模塊 其作用是對從CPU送來的并行數(shù)據(jù)進行并／串轉(zhuǎn)換，將串行數(shù)據(jù)從SOUT輸出到串口，同接收模塊相同，該模塊也包含模塊控制和模塊狀態(tài)配置功能；

中斷仲裁模塊 其作用是用來實現(xiàn)外部接口對內(nèi)部寄存器的操作以及中斷信號的仲裁操作，在UART的工作過程中，發(fā)送和接收模塊的狀態(tài)信號都送入該模塊的線性狀態(tài)寄存器中，經(jīng)過內(nèi)部的邏輯操作輸出相應的中斷信號，指示與UART相連的外部設備進行相應的讀寫操作；

MODEM模塊 其作用是用來和外部的調(diào)制解調(diào)器或者其他的UART設備進行通信。

2.1 接收模塊

在接收的過程中，由于串行數(shù)據(jù)幀異步于接收時鐘，因此，當檢測到SIN由高電平到低電平的變化將被認為是一幀數(shù)據(jù)的開始位。為避免由于噪聲引起的錯誤數(shù)據(jù)，本設計中實現(xiàn)了錯誤開始位檢測功能，即要求開始位必須在收發(fā)波特率時鐘的50%以上為低電平。由于我們采用的內(nèi)部時鐘其頻率是波特率時鐘的16倍，因此開始位至少在8個內(nèi)部時鐘周期內(nèi)為低電平才被認為有效。一旦開始位被確認，后面的數(shù)據(jù)比特和校驗比特將會每16個內(nèi)部時鐘周期采樣一次。

接收模塊包括一個數(shù)據(jù)緩沖寄存器和一個接收移位寄存器。當檢測到開始位有效時，其后的數(shù)據(jù)比特將會依次存人數(shù)據(jù)移位寄存器，根據(jù)數(shù)據(jù)幀的配置，當接收完所有數(shù)據(jù)比特后會根據(jù)奇偶校驗是否被使能來判斷下一步進行校驗或停止接收，等待外部設備讀取接收到的數(shù)據(jù)。整個過程可通過狀態(tài)機方便的實現(xiàn)，狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖如圖2所示。

由圖2不難看出，接收模塊的狀態(tài)機包含4個狀態(tài)：空閑狀態(tài)(idle)、移位狀態(tài)(shift)、奇偶校驗狀態(tài)(parity)和停止位狀態(tài)(stop)。其工作過程如下：當系統(tǒng)復位時，狀態(tài)機進入idle狀態(tài)，等待開始位，SIN由高電平變?yōu)榈碗娖讲⒈淮_認為有效的開始位后，狀態(tài)機進入shift狀態(tài)；shift狀態(tài)中，接收模塊為每一個數(shù)據(jù)比特移人等待16個內(nèi)部時鐘周期，接收完一幀數(shù)據(jù)后，若奇偶校驗使能有效，跳轉(zhuǎn)到parity狀態(tài)，否則，進入stop狀態(tài)；在parity狀態(tài)中對奇偶校驗比特進行采樣，狀態(tài)機將跳轉(zhuǎn)到stop狀態(tài)；狀態(tài)機進入stop狀態(tài)后，等待16個內(nèi)部時鐘周期后將對停止位的長度進行采樣，而后進人idle狀態(tài)。

2.2 發(fā)送模塊

在發(fā)送過程中，當發(fā)送數(shù)據(jù)裝載到發(fā)送保持寄存器后，串行數(shù)據(jù)將自動使能從而進行數(shù)據(jù)傳輸。首先一個開始位被發(fā)送出去，同時發(fā)送數(shù)據(jù)由發(fā)送保持寄存器裝載到發(fā)送移位寄存器中，而將數(shù)據(jù)以波特率時鐘逐位發(fā)送出去，并按照線性控制寄存器的要求加上奇偶校驗位和停止位。其時鐘、幀結(jié)構(gòu)配置和工作過程與接收模塊類似，因此，發(fā)送模塊也可以通過相似的狀態(tài)機實現(xiàn)。

2.3 中斷仲裁模塊

UART的中斷分為4個等級，其對應的中斷事件為：接收模塊線性狀態(tài)、接收數(shù)據(jù)準備就緒、發(fā)送保持寄存器空和MODEM狀態(tài)，它們記錄在中斷識別寄存器中。UART通過讀取中斷識別寄存器檢測所有的中斷信號，然后指明優(yōu)先級最高的中斷給外部接口。該模塊使用狀態(tài)機實現(xiàn)時，共分為5個狀態(tài)，其中4個等級的中斷各為一個狀態(tài)，外加一個空閑狀態(tài)，根據(jù)每次讀取中段識別寄存器的結(jié)果確定應進入哪一狀態(tài)，從而保證了各級中斷依次被響應。