基于SOPC技術的異步串行通信IP核的設計與實現(xiàn)

摘要：介紹了SoPC(System on a Programmable Chip)系統(tǒng)的概念和特點，給出了基于PLB總線的異步串行通信(UART)IP核的硬件設計和實現(xiàn)。通過將設計好的UART IP核集成到SoPC系統(tǒng)中加以驗證，證明了所設計的UARTIP核可以正常工作。該設計方案為其他基于SoPC系統(tǒng)IP核的開發(fā)提供了一定的參考。
關鍵詞：SoPC；UKRT；PLB；IPIF；FPGA

隨著嵌入式技術的發(fā)展，基于SoPC技術的嵌入式系統(tǒng)所具有的軟硬件可裁減、可擴充、可升級以及可在線修改的特點越來越受到人們的重視。SoPC系統(tǒng)通常具有以下基本特征：采用大容量可編程邏輯器件來實現(xiàn)，單芯片、低功耗；至少包含1個以上的嵌入式處理器IP核；具有一個或多條片上總線作為系統(tǒng)擴展功能的接口；具有充足的片上可編程邏輯資源，用戶可以根據(jù)需要擴充功能部件。
異步串行通信協(xié)議(UART)以低成本、高可靠性等優(yōu)點而廣泛應用于嵌入式系統(tǒng)中，多篇文獻也討論了UART協(xié)議的硬件設計方法，但多數(shù)只限于討論UART協(xié)議的硬件實現(xiàn)，缺少從SoPC系統(tǒng)的角度論述UART IP核的設計方法。本文以UART IP核和PLB總線為例，討論了在SoPC系統(tǒng)下UART IP核的設計方法，該方法對其他IP核的設計有一定的參考作用。

1 UART協(xié)議介紹
UART是一種串行異步通信方式，它采用RS232電平在串行鏈路上進行全雙工的通信，其數(shù)據(jù)傳輸格式如圖1所示：UART協(xié)議在空閑時為高電平，通過發(fā)送起始位提示接收方數(shù)據(jù)傳輸即將開始，接著傳輸8位有效數(shù)據(jù)位和奇偶檢驗位，最后發(fā)送停止位表示一個字符傳輸完成。

2 SOPC UART通信系統(tǒng)介紹
本文設計的SOPC UART通信系統(tǒng)主要包括MicroBlaze處理器、PLB總線、UART IP核和DDR2控制器IP核，如圖2所示。

MicroBlaze處理器是Xilinx公司針對其FPGA器件優(yōu)化的32位微處理器核，它采用RISC(Reduced Instruction System Computer)架構(gòu)和哈佛總線結(jié)構(gòu)，具有獨立32位數(shù)據(jù)和指令總線，能夠高速執(zhí)行和訪問片上存儲器和片外存儲器上的程序與數(shù)據(jù)；提供本地塊存儲器總線(LMB)、處理器本地總線(PLB)等總線接口。
PLB總線作為IBM CoreConnect總線協(xié)議簇中的一部分，廣泛的應用于IBM PowerPC處理器架構(gòu)中。該總線具有總線地址空間大，總線吞吐率高，能支持多個主從設備連接等特點。如圖3所示，MicroBlaze處理器通過PLB總線與UARTIP核、DDR2控制器相互連接，各部件之間通過PLB總線協(xié)議進行交互。其中，MicroBlaze處理器作為主設備完成系統(tǒng)控制和UART通信流程控制，UART IP核作為從設備在主設備的控制下完成異步串行通信，DDR2存儲指令和數(shù)據(jù)。
MicroBlaze處理器和DDR2控制器采用Xilinx公司提供的IP核，UART IP核由用戶編寫邏輯，它是文中設計的主要內(nèi)容，對此模塊的設計將在下一節(jié)進行詳細闡述。