利用FPGA實(shí)現(xiàn)外設(shè)通信接口之： 典型實(shí)例-RS-232C（UART）接口的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

10.6典型實(shí)例16：RS-232C（UART）接口的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

10.6.1實(shí)例內(nèi)容及目標(biāo)

1．實(shí)例的主要內(nèi)容

本節(jié)旨在通過(guò)分析UART控制器，設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了FPGA通過(guò)RS-232C接口與PC機(jī)的通信。設(shè)計(jì)過(guò)程中用Modelsim對(duì)UART控制器進(jìn)行仿真，幫助讀者進(jìn)一步了解UART協(xié)議的具體時(shí)序。

2．實(shí)例目標(biāo)

通過(guò)本實(shí)例，讀者應(yīng)達(dá)到以下目標(biāo)。

·了解UART工作原理和時(shí)序。

·熟悉Modelsim仿真的流程。

·熟練掌握狀態(tài)機(jī)的使用。

·實(shí)現(xiàn)FPGA與PC機(jī)之間的RS-232C接口通信。

10.6.2實(shí)例詳解

系統(tǒng)上電復(fù)位后，先將20個(gè)數(shù)寫入FPGA內(nèi)部資源BlockRam（可以用IP核來(lái)實(shí)現(xiàn)），然后根據(jù)設(shè)定的協(xié)議（該協(xié)議可自己設(shè)定）來(lái)建立PC機(jī)與FPGA的通信，此處設(shè)定的協(xié)議如下。

PC機(jī)要從串口讀取數(shù)據(jù)時(shí)，先從串口發(fā)送E4H、00H。E4H代表FPGA的地址（可以隨意設(shè)定一個(gè)數(shù)），00H表示要讀取數(shù)據(jù)。FPGA收到這兩個(gè)數(shù)據(jù)后，通過(guò)串口給PC機(jī)反饋信號(hào)。發(fā)送E4H、E1H，表示FPGA已經(jīng)收到了PC機(jī)的命令，要開(kāi)始向PC機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)。PC端準(zhǔn)備接收數(shù)據(jù)，建立了此連接后，PC機(jī)可從FPGA讀出最初寫入BlockRam中的值了。

10.6.3BlockRAM的實(shí)現(xiàn)方法

對(duì)于BlockRam，可以直接應(yīng)用IP核來(lái)實(shí)現(xiàn)，具體實(shí)現(xiàn)步驟如下。

首先為工程添加新的設(shè)計(jì)文件，選擇“NewSource…”，如圖10.23所示。

圖10.23新建IP核設(shè)計(jì)文件

在彈出的對(duì)話框里面選擇創(chuàng)建IP（CoreGenArchitectureWizard）類型文件，并為該文件設(shè)置文件名及路徑，單擊“Next”按鈕，如圖10.24所示。

圖10.24選擇IP核類型

在選擇IP核類型對(duì)話框中選擇“DualPortBlockMemory6-1”，即可生成一個(gè)雙口RAM。單擊“Next”按鈕進(jìn)入雙口RAM設(shè)置向?qū)В鐖D10.25所示。

在該向?qū)е校獙?duì)該雙口RAM的屬性進(jìn)行設(shè)置。

圖10.25雙口BlockMemory設(shè)置向?qū)?/p>

如圖10.25所示，WidthA、WidthB分別為寫入兩個(gè)口的數(shù)據(jù)的位數(shù)，Depth為容量，在這里設(shè)為100，實(shí)際中只用到20個(gè)。對(duì)A口，上電復(fù)位后，就將20個(gè)數(shù)據(jù)寫入A口，因此A口設(shè)為WriteOnly，對(duì)于B口，F(xiàn)PGA向PC機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)從B口讀取數(shù)據(jù)，因此B口設(shè)為ReadOnly，設(shè)置完畢后單擊“Generate”按鈕即可。

10.6.4FPGA代碼的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)

整個(gè)代碼采用了4個(gè)狀態(tài)機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)，其中兩個(gè)狀態(tài)機(jī)用于從串口讀取數(shù)據(jù)，另外兩個(gè)用于向串口寫入數(shù)據(jù)。下面以從串口讀取數(shù)據(jù)為例來(lái)說(shuō)明狀態(tài)機(jī)的工作過(guò)程。

從串口讀取數(shù)據(jù)的兩個(gè)狀態(tài)機(jī)主要完成如下功能：從串口接收到字符，并判斷是不是E4H、00H（自定協(xié)議規(guī)定的內(nèi)容），如果是，就給出Response（應(yīng)答）信號(hào)，通知發(fā)送數(shù)據(jù)狀態(tài)機(jī)開(kāi)始向PC機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)。

這兩個(gè)狀態(tài)機(jī)，一個(gè)為主狀態(tài)機(jī)，用于連續(xù)從串口讀取數(shù)據(jù)；一個(gè)為輔狀態(tài)機(jī)，用于從串口讀取一個(gè)字節(jié)的數(shù)據(jù)。由于串口接收數(shù)據(jù)是一位一位地接收，該狀態(tài)機(jī)就控制從串口接收所有位，并將結(jié)果存入一個(gè)8位的寄存器。

當(dāng)輔狀態(tài)機(jī)接收到一個(gè)字符后，就給主狀態(tài)機(jī)一個(gè)Received_char信號(hào)。主狀態(tài)機(jī)判斷是不是E4H信號(hào)，如果是，就跳到下一個(gè)狀態(tài)，等待輔狀態(tài)機(jī)接收下一個(gè)字符；如果下一個(gè)接收到的字符是00H，那么就給出Response信號(hào)。

系統(tǒng)狀態(tài)圖如圖10.26所示。

圖10.26系統(tǒng)狀態(tài)圖

狀態(tài)機(jī)描述是一種非常好的方法，用戶可在此基礎(chǔ)上加以修改，用于自己的實(shí)際設(shè)計(jì)當(dāng)中。單個(gè)字符接收的狀態(tài)機(jī)如圖10.27所示。

圖10.27單字符接收狀態(tài)機(jī)

對(duì)于發(fā)送數(shù)據(jù)的兩個(gè)狀態(tài)機(jī)，其工作機(jī)理與上面相同，不再贅述。詳細(xì)設(shè)計(jì)參考實(shí)例代碼。

10.6.5波特率的設(shè)定

串口通信必須要設(shè)定波特率。本設(shè)計(jì)中采用的波特率為9600kbit/s，采用的時(shí)鐘為50MHz，相當(dāng)于傳送一位數(shù)據(jù)需要約5028個(gè)時(shí)鐘周期。這里采用減法計(jì)數(shù)器來(lái)控制，即計(jì)數(shù)器計(jì)到5028個(gè)時(shí)鐘周期后，就開(kāi)始傳輸下一位數(shù)據(jù)（也可以通過(guò)對(duì)時(shí)鐘分頻來(lái)實(shí)現(xiàn)）。

10.6.6ModelSim仿真驗(yàn)證

FPGA從串口接收數(shù)據(jù)仿真結(jié)果，如圖10.28所示。

圖10.28從串口接收數(shù)據(jù)仿真結(jié)果

rxd為模擬PC機(jī)發(fā)出的E4H、00H信號(hào)。從圖中可以看到，當(dāng)FPGA收到這兩個(gè)信號(hào)后，給出了Response脈沖。發(fā)送狀態(tài)機(jī)收到該信號(hào)后，給出txd的低電平信號(hào)，通知PC機(jī)要開(kāi)始發(fā)送數(shù)據(jù)了。

如圖10.29所示，txd為FPGA向PC機(jī)發(fā)送的數(shù)據(jù)。發(fā)送狀態(tài)機(jī)收到Response信號(hào)后，給出txd低電平信號(hào)，開(kāi)始發(fā)送數(shù)據(jù)。先發(fā)送應(yīng)答信號(hào)E4H、E1H，之后開(kāi)始發(fā)送開(kāi)始寫入BlockRam的20個(gè)數(shù)，從0～19。圖中raddr為BlockRam的地址，rdata為從BlockRam中讀取的數(shù)據(jù)。

圖10.29SDRAM控制器仿真結(jié)果

在仿真時(shí)，為了顯示方便，沒(méi)有按照5028個(gè)時(shí)鐘傳輸一位，而是4個(gè)時(shí)鐘就傳輸一位。

10.6.7小結(jié)

本節(jié)對(duì)數(shù)字系統(tǒng)中常用的UART控制器做了初步的介紹，并在Modelsim中實(shí)現(xiàn)了對(duì)SDRAM控制器的仿真，最后通過(guò)編譯下載在紅色颶風(fēng)的開(kāi)發(fā)板上實(shí)現(xiàn)了預(yù)定功能。

通過(guò)這個(gè)實(shí)例，讀者能夠掌握UART控制器以及RS-232C接口的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)方法，并學(xué)會(huì)將這個(gè)控制器集成到更為復(fù)雜的設(shè)計(jì)中去。