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          基于FPGA的UART設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)及驗(yàn)證

          作者: 時(shí)間:2009-07-08 來(lái)源:網(wǎng)絡(luò) 收藏

          通用異步收發(fā)器(Universal Asynchronous Receiver Transmitter,)是數(shù)字通信領(lǐng)域流行和廣泛使用的一種接口設(shè)備,主要用來(lái)控制符合RS 232-C協(xié)議的計(jì)算機(jī)與串行設(shè)備間的通信。普通串行外設(shè)和計(jì)算機(jī)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(fù)雜以及成本較高的缺點(diǎn),會(huì)使得硬件設(shè)計(jì)更加復(fù)雜,并且結(jié)構(gòu)與功能相對(duì)固定,無(wú)法根據(jù)設(shè)計(jì)的需要對(duì)其邏輯控制進(jìn)行靈活的修改。而目前日趨成熟的SOC技術(shù)則要求將整個(gè)設(shè)計(jì)的功能集成在單片或幾塊芯片當(dāng)中,因此,將的功能集成在芯片當(dāng)中,可以使整個(gè)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(yǔ)言開發(fā)UAWT的方法,實(shí)現(xiàn)了與計(jì)算機(jī)之間的數(shù)據(jù)通信,并將其應(yīng)用于芯片開發(fā)的功能驗(yàn)證當(dāng)中,從而衍生出了將嵌入到EPGA芯片,與計(jì)算機(jī)互聯(lián)的一種直觀的FPGA設(shè)計(jì)的驗(yàn)證和調(diào)試方法。

          本文引用地址:http://www.ex-cimer.com/article/192001.htm

          1 UART通信原理

          UART采用通用的RS 232-C串行接口標(biāo)準(zhǔn),該協(xié)議的優(yōu)點(diǎn)是使用廣泛,幾乎所有計(jì)算機(jī)和串行外設(shè)當(dāng)中都置有這種接口,其傳輸距離可達(dá)15 m,并且實(shí)現(xiàn)較簡(jiǎn)單,用于雙向連接時(shí)最少只需要2條導(dǎo)線即可實(shí)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(yàn)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(zhǎng)度為5,6,7,8不等;奇偶校驗(yàn)的模式有無(wú)校驗(yàn)、奇校驗(yàn)、偶校驗(yàn)、粘附校驗(yàn)1和粘附校驗(yàn)0;停止位為高電平,具體長(zhǎng)度為1位、1.5位和2位不等,這些選項(xiàng)都通過(guò)UART內(nèi)部的線性控制寄存器來(lái)確定。當(dāng)沒(méi)有數(shù)據(jù)發(fā)送時(shí),發(fā)送和接收引腳都保持高電平。

          2 UART的FPGA實(shí)現(xiàn)

          本實(shí)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(gè)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(lái)的異步數(shù)據(jù),并進(jìn)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(lái)設(shè)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(hào);

          發(fā)送模塊 其作用是對(duì)從CPU送來(lái)的并行數(shù)據(jù)進(jìn)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(lái)實(shí)現(xiàn)外部接口對(duì)內(nèi)部寄存器的操作以及中斷信號(hào)的仲裁操作,在UART的工作過(guò)程中,發(fā)送和接收模塊的狀態(tài)信號(hào)都送入該模塊的線性狀態(tài)寄存器中,經(jīng)過(guò)內(nèi)部的邏輯操作輸出相應(yīng)的中斷信號(hào),指示與UART相連的外部設(shè)備進(jìn)行相應(yīng)的讀寫操作;

          MODEM模塊 其作用是用來(lái)和外部的調(diào)制解調(diào)器或者其他的UART設(shè)備進(jìn)行通信。

          2.1 接收模塊

          在接收的過(guò)程中,由于串行數(shù)據(jù)幀異步于接收時(shí)鐘,因此,當(dāng)檢測(cè)到SIN由高電平到低電平的變化將被認(rèn)為是一幀數(shù)據(jù)的開始位。為避免由于噪聲引起的錯(cuò)誤數(shù)據(jù),本設(shè)計(jì)中實(shí)現(xiàn)了錯(cuò)誤開始位檢測(cè)功能,即要求開始位必須在收發(fā)波特率時(shí)鐘的50%以上為低電平。由于我們采用的內(nèi)部時(shí)鐘其頻率是波特率時(shí)鐘的16倍,因此開始位至少在8個(gè)內(nèi)部時(shí)鐘周期內(nèi)為低電平才被認(rèn)為有效。一旦開始位被確認(rèn),后面的數(shù)據(jù)比特和校驗(yàn)比特將會(huì)每16個(gè)內(nèi)部時(shí)鐘周期采樣一次。

          接收模塊包括一個(gè)數(shù)據(jù)緩沖寄存器和一個(gè)接收移位寄存器。當(dāng)檢測(cè)到開始位有效時(shí),其后的數(shù)據(jù)比特將會(huì)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(dāng)接收完所有數(shù)據(jù)比特后會(huì)根據(jù)奇偶校驗(yàn)是否被使能來(lái)判斷下一步進(jìn)行校驗(yàn)或停止接收,等待外部設(shè)備讀取接收到的數(shù)據(jù)。整個(gè)過(guò)程可通過(guò)狀態(tài)機(jī)方便的實(shí)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(jī)包含4個(gè)狀態(tài):空閑狀態(tài)(idle)、移位狀態(tài)(shift)、奇偶校驗(yàn)狀態(tài)(parity)和停止位狀態(tài)(stop)。其工作過(guò)程如下:當(dāng)系統(tǒng)復(fù)位時(shí),狀態(tài)機(jī)進(jìn)入idle狀態(tài),等待開始位,SIN由高電平變?yōu)榈碗娖讲⒈淮_認(rèn)為有效的開始位后,狀態(tài)機(jī)進(jìn)入shift狀態(tài);shift狀態(tài)中,接收模塊為每一個(gè)數(shù)據(jù)比特移人等待16個(gè)內(nèi)部時(shí)鐘周期,接收完一幀數(shù)據(jù)后,若奇偶校驗(yàn)使能有效,跳轉(zhuǎn)到parity狀態(tài),否則,進(jìn)入stop狀態(tài);在parity狀態(tài)中對(duì)奇偶校驗(yàn)比特進(jìn)行采樣,狀態(tài)機(jī)將跳轉(zhuǎn)到stop狀態(tài);狀態(tài)機(jī)進(jìn)入stop狀態(tài)后,等待16個(gè)內(nèi)部時(shí)鐘周期后將對(duì)停止位的長(zhǎng)度進(jìn)行采樣,而后進(jìn)人idle狀態(tài)。

          2.2 發(fā)送模塊

          在發(fā)送過(guò)程中,當(dāng)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(dòng)使能從而進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。首先一個(gè)開始位被發(fā)送出去,同時(shí)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(shí)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(yàn)位和停止位。其時(shí)鐘、幀結(jié)構(gòu)配置和工作過(guò)程與接收模塊類似,因此,發(fā)送模塊也可以通過(guò)相似的狀態(tài)機(jī)實(shí)現(xiàn)。

          2.3 中斷仲裁模塊

          UART的中斷分為4個(gè)等級(jí),其對(duì)應(yīng)的中斷事件為:接收模塊線性狀態(tài)、接收數(shù)據(jù)準(zhǔn)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(shí)別寄存器中。UART通過(guò)讀取中斷識(shí)別寄存器檢測(cè)所有的中斷信號(hào),然后指明優(yōu)先級(jí)最高的中斷給外部接口。該模塊使用狀態(tài)機(jī)實(shí)現(xiàn)時(shí),共分為5個(gè)狀態(tài),其中4個(gè)等級(jí)的中斷各為一個(gè)狀態(tài),外加一個(gè)空閑狀態(tài),根據(jù)每次讀取中段識(shí)別寄存器的結(jié)果確定應(yīng)進(jìn)入哪一狀態(tài),從而保證了各級(jí)中斷依次被響應(yīng)。


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