基于Verilog HDL的UART模塊設(shè)計(jì)與仿真

摘要：通用異步收發(fā)器UART常用于微機(jī)和外設(shè)之間的數(shù)據(jù)交換，針對(duì)UART的特點(diǎn)，提出了一種基于Ver4log HDL的UART設(shè)計(jì)方法。采用自頂向下的設(shè)計(jì)路線，結(jié)合狀態(tài)機(jī)的描述形式，使用硬件描述語(yǔ)言設(shè)計(jì)UART的頂層模塊及各個(gè)子模塊，從而使整個(gè)設(shè)計(jì)更加緊湊、可靠。同時(shí)采用參數(shù)化的設(shè)計(jì)方法，增強(qiáng)系統(tǒng)的可移植性。仿真結(jié)果表明，該系統(tǒng)可支持標(biāo)準(zhǔn)異步串行傳輸RS-232協(xié)議，可集成到FPGA芯片中使用。
關(guān)鍵詞：Verilog HDL；通用異步收發(fā)器(UART)；狀態(tài)機(jī)；仿真

隨著微機(jī)應(yīng)用和計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展，計(jì)算機(jī)與外界之間的信息交換變得越來(lái)越重要，為了保證串行通信的正常進(jìn)行，提高串行通信的效率和CPU的利用率，在微機(jī)系統(tǒng)中采用專用的大規(guī)模集成電路來(lái)完成這些工作，這就是串行通信接口。通用異步接收發(fā)送器UART(Universal asynchronousreceiver／transmitter)主要用于控制設(shè)備之間的串行通信。廣泛應(yīng)用于調(diào)制解調(diào)器Modem、手持工業(yè)設(shè)備、條形碼閱讀器、測(cè)試設(shè)備、消費(fèi)產(chǎn)品與計(jì)算機(jī)PC、微處理器以及小型通信網(wǎng)絡(luò)之間的通信等。在SOC設(shè)計(jì)中，異步串行通信接口已成為不可缺少的一部分，它的性能優(yōu)劣將直接影響相應(yīng)電子系統(tǒng)的性能和指標(biāo)。

1 UART原理
串行通信是指外部設(shè)備和計(jì)算機(jī)間使用一根數(shù)據(jù)線(另外需要地線，可能還需要控制線)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆绞?。?shù)據(jù)在一根數(shù)據(jù)線上一位一位傳輸，每一位數(shù)據(jù)都占據(jù)一個(gè)固定的時(shí)間長(zhǎng)度。與并行通信方式相比，串行通信方式的傳輸速度較慢，但這種通信方式使用的數(shù)據(jù)線少，在遠(yuǎn)距離通信中可以節(jié)約通信成本，因此得到了廣泛的應(yīng)用。
基本的UART只需要發(fā)送和接收兩條數(shù)據(jù)線就可以完成數(shù)據(jù)的全雙工通信，其基本功能是在發(fā)送端將控制器通過(guò)總線傳過(guò)來(lái)的并行數(shù)據(jù)，以設(shè)定的格式，設(shè)定的頻率串行地傳輸出去，并同時(shí)在接收端將串行接收到的數(shù)據(jù)，轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的并行數(shù)據(jù)發(fā)送出去。UART的基本幀格式如圖1所示。其中，起始位總是邏輯O狀態(tài)，停止位總是邏輯l狀態(tài)，其持續(xù)時(shí)間可選為1位、1．5位或2位，其數(shù)據(jù)位可為5、6、7、8位，校驗(yàn)位可根據(jù)需要選擇奇校驗(yàn)位，偶校驗(yàn)位或無(wú)校驗(yàn)位。

2 UART的設(shè)計(jì)
現(xiàn)今復(fù)雜的數(shù)字系統(tǒng)的設(shè)計(jì)往往采用自頂向下的設(shè)計(jì)方案，利用層次化結(jié)構(gòu)化的方法，將一個(gè)設(shè)計(jì)方案劃分為若干模塊，在不同層次的模塊都可以進(jìn)行仿真，可以很方便地查看某一層次的代碼以改正仿真時(shí)發(fā)現(xiàn)錯(cuò)誤。在本設(shè)計(jì)中UART主要由波特率發(fā)生器、接收模塊、發(fā)送模塊3部分組成，并具有l(wèi)位停止位和無(wú)校驗(yàn)位。波特率發(fā)生器實(shí)現(xiàn)波特率的變換，利用外部時(shí)鐘信號(hào)產(chǎn)生一個(gè)所需波特率16倍的波特率時(shí)鐘，用來(lái)控制UART的接收與發(fā)送。接收模塊是用于接收串行信號(hào)，并將其轉(zhuǎn)化為并行數(shù)據(jù)；而發(fā)送模塊則將準(zhǔn)備輸出的并行數(shù)據(jù)按照UART的幀格式轉(zhuǎn)化為串行數(shù)據(jù)輸出。圖2為UART結(jié)構(gòu)圖。