用FPGA器件實(shí)現(xiàn)UART核心功能的一種方法

串行外設(shè)都會(huì)用到RS232-C異步串行接口，傳統(tǒng)上采用專用的集成電路即UART實(shí)現(xiàn)，如TI、EXAR、EPIC的550、452等系列，但是我們一般不需要使用完整的UART的功能，而且對(duì)于多串口的設(shè)備或需要加密通訊的場(chǎng)合使用UART也不是最合適的。如果設(shè)計(jì)上用到了FPGA/CPLD器件，那么就可以將所需要的UART功能集成到FPGA內(nèi)部，本人最近在用XILINX的XCS30做一個(gè)設(shè)計(jì)的時(shí)候，就使用VHDL將UADT的核心功能集成了，從而使整個(gè)設(shè)計(jì)更加緊湊，更小巧、穩(wěn)定、可靠，下面就談?wù)勗O(shè)計(jì)方法。

---- 分析UART的結(jié)構(gòu)，可以看出UART主要由數(shù)據(jù)總線接口、控制邏輯和狀態(tài)接口、波特率發(fā)生器、發(fā)送和接受等部分組成，各部分間關(guān)系如圖一。



---- 了解了UART的各部分組成結(jié)構(gòu)后，下面對(duì)各部分的功能進(jìn)行詳細(xì)的分析。我們假定所要設(shè)計(jì)的UART為：數(shù)據(jù)位為7位、8位可選，波特率可選，效驗(yàn)方式為奇、偶、無(wú)等效驗(yàn)方式，下面的分析都是在這個(gè)假定的基礎(chǔ)上進(jìn)行。



一、波特率發(fā)生部分

---- 從圖一可以看出，UART的接收和發(fā)送是按照相同的波特率進(jìn)行收發(fā)的（當(dāng)然也可以實(shí)現(xiàn)成對(duì)的不同波特率進(jìn)行收發(fā)），波特率是可以通過(guò)CPU的總線接口設(shè)置的。UART收發(fā)的每一個(gè)數(shù)據(jù)寬度都是波特率發(fā)生器輸出的時(shí)鐘周期的16倍，即假定當(dāng)前按照9600bps進(jìn)行收發(fā)，那么波特率發(fā)生器輸出的時(shí)鐘頻率應(yīng)為9600＊16Hz，當(dāng)然這也是可以改變的，我們只是按照UART的方法進(jìn)行設(shè)計(jì)。

---- 我們假定提供的時(shí)鐘為1.8432MHz，那么可以很簡(jiǎn)單地用CPU寫(xiě)入不同的數(shù)值到波特率保持寄存器，然后用計(jì)數(shù)器的方式生成所需要的各種波特率，這個(gè)值的計(jì)算原則就是1843200/（16＊所期望的波特率），如果希望輸出9600Hz的波特率，那么這個(gè)值就是1843200/（16＊9600）=12（0CH）。

二、 發(fā)送部分

---- 這里應(yīng)重點(diǎn)分析幾個(gè)問(wèn)題：首先是何時(shí)CPU可以往發(fā)送保持寄存器（THR）寫(xiě)人數(shù)據(jù)？也就是說(shuō)CPU要寫(xiě)數(shù)據(jù)到THR時(shí)必須判一個(gè)狀態(tài)，當(dāng)前是否可寫(xiě)？很明顯如果不判這個(gè)條件，發(fā)送的數(shù)據(jù)會(huì)出錯(cuò)，除非CPU寫(xiě)入THR的頻率低于當(dāng)前傳輸?shù)牟ㄌ芈?，而這種情況是極少出現(xiàn)的。其次是CPU寫(xiě)入數(shù)據(jù)到THR后，何時(shí)THR的數(shù)據(jù)傳送到發(fā)送移位寄存器（TSR）并何時(shí)移位？即如何處理THR和TSR的關(guān)系？再次是數(shù)據(jù)位有7、8位兩種，校驗(yàn)位有三種形式，這樣發(fā)送一個(gè)字節(jié)可能有9、10、11位三種串行長(zhǎng)度，所以我們必須按照所設(shè)置的傳輸情況進(jìn)行處理。數(shù)據(jù)位、效驗(yàn)方式可以通過(guò)CPU寫(xiě)一個(gè)端口來(lái)設(shè)置，發(fā)送和接受都根據(jù)這個(gè)設(shè)置進(jìn)行，由于這部分很簡(jiǎn)單，所以我就不給出程序了。

---- 根據(jù)上面的分析，引進(jìn)了幾個(gè)信號(hào)：

---- bigin1、begin2：引入兩個(gè)附加移位，目的是為送出起始位、停止位而加入串行長(zhǎng)度。

---- txdone7、txdone8：分別表示7、8位的結(jié)束標(biāo)志。Txdone=txdone8 when“8bit”else txdone7;

---- Paritycycle7、paritycycle8：分別表示7、8位下的校驗(yàn)位。Parity=parity8 when“8 bit”else parity7;

---- Writerdy：為0時(shí)表示CPU不能將數(shù)據(jù)寫(xiě)入THR，為1時(shí)可以寫(xiě)入。

---- 這樣就可以得到以下信息：在移位時(shí)鐘的上升沿檢測(cè)到txdone和writerdy都為高電平時(shí)，進(jìn)入LOAD狀態(tài)即將THR的數(shù)據(jù)LOAD到TSR，在下一個(gè)時(shí)鐘就進(jìn)入移位狀態(tài)。在移位中同時(shí)進(jìn)行校驗(yàn)位的運(yùn)算，在需要送出校驗(yàn)位的時(shí)候?qū)⑦\(yùn)算好的校驗(yàn)位送出，txdone=1的時(shí)候?qū)⒏唠娖剿统?，其它時(shí)候移位輸出。

---- 最后還有一個(gè)小程序，那就是寫(xiě)出writerdy的狀態(tài)，很明顯沒(méi)數(shù)據(jù)寫(xiě)入時(shí)為高，而當(dāng)txdone為低時(shí)為低，注意這里也必須同時(shí)同步。圖二給出了一個(gè)奇效驗(yàn)8bit數(shù)據(jù)的發(fā)送時(shí)序圖。





三、 接受部分

---- 對(duì)于接收同樣存在9、10、11位三種串行數(shù)據(jù)長(zhǎng)度的問(wèn)題，必須根據(jù)所設(shè)置的情況而將數(shù)據(jù)完整地取下來(lái)。接收還有一個(gè)特別的情況，那就是它的移位的時(shí)鐘不是一直存在的，這個(gè)時(shí)鐘必須在接受到起始位的中間開(kāi)始產(chǎn)生，到停止位的中間結(jié)束。接受到停止位后，必須給出中斷，并提供相應(yīng)的校驗(yàn)出錯(cuò)、FRAME錯(cuò)以及溢出等狀態(tài)。

---- 這樣需引入hunt和idle兩個(gè)信號(hào)，其中hunt為高表示捕捉到起始位，idle為高表示不在移位狀態(tài)，利用這兩個(gè)信號(hào)就可以生成接收所需要的移位時(shí)鐘。

---- 下面還有一個(gè)小程序，就是如何將接收的狀態(tài)和標(biāo)志表示出來(lái)。溢出標(biāo)志很簡(jiǎn)單，那就是在idle從低變高，也就是說(shuō)在接收到一個(gè)完整的串行序列后，去判一下當(dāng)前的中斷是否有效？（高有效，數(shù)據(jù)沒(méi)有被讀走）如果為高那么溢出，否則沒(méi)有。在移位的時(shí)候，同時(shí)對(duì)接收的數(shù)據(jù)進(jìn)行校驗(yàn)，這樣就可以判斷接收的數(shù)據(jù)是否有錯(cuò)，在接收完成時(shí)判一下當(dāng)前的RX是否為高電平就可以知道FRAME是否有錯(cuò)，圖三是一個(gè)8bit奇校驗(yàn)的接收時(shí)序圖（假定接收正確，所以沒(méi)有給出校驗(yàn)、溢出、幀出錯(cuò)信號(hào)）。





---- 總結(jié)：我在用FPGA做一個(gè)設(shè)計(jì)的時(shí)候，由于還有資源而且正好用到UART，所以就根據(jù)對(duì)UART的認(rèn)識(shí)進(jìn)行了設(shè)計(jì)，全部用VHDL進(jìn)行描述，用SPEEDWAVE進(jìn)行語(yǔ)言級(jí)的仿真，用XILINX的F2.1進(jìn)行頂層仿真，最后和PC的仿真終端進(jìn)行聯(lián)機(jī)，功能一切正常，整個(gè)UART所需要的觸發(fā)器為80個(gè)左右，一般的PLD都可以完成。